Endospora

Una endospora es una estructura latente , resistente y no reproductiva producida por algunas bacterias del filo Bacillota . ^{[1] [2]} El nombre "endospora" sugiere una forma similar a una espora o semilla ( endo significa 'dentro'), pero no es una espora verdadera (es decir, no una descendencia). Es una forma latente y despojada a la que la bacteria puede reducirse. La formación de endosporas generalmente se desencadena por una falta de nutrientes y generalmente ocurre en bacterias grampositivas . En la formación de endosporas, la bacteria se divide dentro de su pared celular y un lado luego envuelve al otro. ^[3] Las endosporas permiten que las bacterias permanezcan latentes durante períodos prolongados, incluso siglos. Hay muchos informes de esporas que permanecen viables durante más de 10,000 años, y se ha afirmado la reactivación de esporas de millones de años. Hay un informe de esporas viables de Bacillus marismortui en cristales de sal de aproximadamente 25 millones de años. ^{[4] [5]} Cuando el entorno se vuelve más favorable, la endospora puede reactivarse a un estado vegetativo. La mayoría de los tipos de bacterias no pueden cambiar a la forma de endospora. Ejemplos de especies bacterianas que pueden formar endosporas incluyen Bacillus cereus , Bacillus anthracis , Bacillus thuringiensis , Clostridium botulinum y Clostridium tetani . ^[6] La formación de endosporas no se encuentra entre Archaea . ^[7]

La endospora está formada por el ADN de la bacteria , ribosomas y grandes cantidades de ácido dipicolínico . El ácido dipicolínico es una sustancia química específica de las esporas que parece contribuir a que las endosporas puedan mantener la latencia. Esta sustancia química representa hasta el 10 % del peso seco de la espora. ^[3]

Las endosporas pueden sobrevivir sin nutrientes. Son resistentes a la radiación ultravioleta , la desecación , las altas temperaturas, la congelación extrema y los desinfectantes químicos . La primera hipótesis sobre las endosporas termorresistentes fue formulada por Ferdinand Cohn después de estudiar el crecimiento de Bacillus subtilis en el queso después de hervirlo. Su noción de que las esporas son el mecanismo reproductivo para el crecimiento fue un gran golpe para las sugerencias anteriores de generación espontánea. El astrofísico Steinn Sigurdsson dijo: "Se han encontrado esporas bacterianas viables que tienen 40 millones de años en la Tierra, y sabemos que están muy endurecidas a la radiación". ^[8] Los agentes antibacterianos comunes que funcionan destruyendo las paredes celulares vegetativas no afectan a las endosporas. Las endosporas se encuentran comúnmente en el suelo y el agua, donde pueden sobrevivir durante largos períodos de tiempo. Una variedad de microorganismos diferentes forman "esporas" o "quistes", pero las endosporas de las bacterias grampositivas de bajo G+C son, con mucho, las más resistentes a las condiciones duras. ^[3]

Algunas clases de bacterias pueden convertirse en exosporas, también conocidas como quistes microbianos , en lugar de endosporas. Las exosporas y las endosporas son dos tipos de estados de "hibernación" o latencia que se observan en algunas clases de microorganismos.

El ciclo de vida bacteriano no incluye necesariamente la esporulación. La esporulación suele desencadenarse por condiciones ambientales adversas, con el fin de ayudar a la supervivencia de la bacteria. Las endosporas no muestran signos de vida y, por lo tanto, pueden describirse como criptobióticas . Las endosporas conservan la viabilidad indefinidamente y pueden germinar en células vegetativas en las condiciones adecuadas. Las endosporas han sobrevivido miles de años hasta que los estímulos ambientales desencadenan la germinación. Se han caracterizado como las células más duraderas producidas en la naturaleza. ^[9]

Las bacterias producen una sola endospora internamente. La espora a veces está rodeada por una cubierta delgada conocida como exosporio , que recubre la capa de la espora . La capa de la espora, que actúa como un tamiz que excluye moléculas tóxicas grandes como la lisozima , es resistente a muchas moléculas tóxicas y también puede contener enzimas que participan en la germinación . En las endosporas de Bacillus subtilus , se estima que la capa de la espora contiene más de 70 proteínas de cubierta, que se organizan en una capa interna y otra externa. ^[10] El patrón de difracción de rayos X de las endosporas purificadas de B. subtilis indica la presencia de un componente con una estructura periódica regular, que Kadota e Iijima especularon que podría formarse a partir de una proteína similar a la queratina. ^[11] Sin embargo, después de estudios adicionales, este grupo concluyó que la estructura de la proteína de la capa de la espora era diferente de la queratina. ^[12] Cuando se secuenció el genoma de B. subtilis , no se detectó ningún ortólogo de la queratina humana. ^[13] La corteza se encuentra debajo de la capa de la espora y está compuesta de peptidoglicano . La pared central se encuentra debajo de la corteza y rodea el protoplasto o núcleo de la endospora. El núcleo contiene el ADN cromosómico de la espora, que está recubierto de proteínas similares a la cromatina conocidas como SASP (proteínas de esporas pequeñas solubles en ácido), que protegen el ADN de la espora de la radiación UV y el calor. El núcleo también contiene estructuras celulares normales, como ribosomas y otras enzimas , pero no es metabólicamente activo.

Hasta el 20% del peso seco de la endospora consiste en dipicolinato de calcio dentro del núcleo, que se cree que estabiliza el ADN. El ácido dipicolínico podría ser responsable de la resistencia al calor de la espora, y el calcio puede ayudar a la resistencia al calor y a los agentes oxidantes. Sin embargo, se han aislado mutantes resistentes al calor pero carentes de ácido dipicolínico, lo que sugiere que también están en juego otros mecanismos que contribuyen a la resistencia al calor. ^[14] Las endosporas contienen proteínas pequeñas solubles en ácido (SASP). Estas proteínas se unen firmemente y condensan el ADN, y son en parte responsables de la resistencia a la luz ultravioleta y a las sustancias químicas que dañan el ADN. ^[3]

La visualización de las endosporas con microscopio óptico puede resultar difícil debido a la impermeabilidad de la pared de la endospora a los colorantes y colorantes . Mientras que el resto de una célula bacteriana puede teñirse, la endospora queda incolora. Para combatir esto, se utiliza una técnica de tinción especial llamada tinción de Moeller . Esta permite que la endospora se muestre en rojo, mientras que el resto de la célula se tiñe de azul. Otra técnica de tinción para las endosporas es la tinción de Schaeffer-Fulton , que tiñe las endosporas de verde y los cuerpos bacterianos de rojo. La disposición de las capas de esporas es la siguiente:

• Exosporio
• Capa de esporas
• Corteza de esporas
• Muro central

La posición de la endospora difiere entre las especies bacterianas y es útil para su identificación. Los principales tipos dentro de la célula son las endosporas terminales, subterminales y de ubicación central. Las endosporas terminales se ven en los polos de las células, mientras que las centrales están más o menos en el medio. Las endosporas subterminales son aquellas que se encuentran entre estos dos extremos, generalmente se ven lo suficientemente lejos hacia los polos pero lo suficientemente cerca del centro como para no ser consideradas ni terminales ni centrales. Ocasionalmente se ven endosporas laterales.

Entre los ejemplos de bacterias que tienen endosporas terminales se incluyen Clostridium tetani , el patógeno que causa la enfermedad del tétanos . Entre las bacterias que tienen una endospora ubicada en el centro se encuentran Bacillus cereus . A veces, la endospora puede ser tan grande que la célula puede distenderse alrededor de ella. Esto es típico de Clostridium tetani .

En condiciones de inanición, especialmente la falta de fuentes de carbono y nitrógeno, se forma una única endospora dentro de algunas bacterias a través de un proceso llamado esporulación. ^[15]

Cuando una bacteria detecta que las condiciones ambientales se están volviendo desfavorables, puede iniciar el proceso de endosporulación, que dura aproximadamente ocho horas. El ADN se replica y comienza a formarse una pared de membrana conocida como septo de esporas entre él y el resto de la célula. La membrana plasmática de la célula rodea esta pared y se desprende para dejar una doble membrana alrededor del ADN, y la estructura en desarrollo ahora se conoce como preespora. El dipicolinato de calcio, la sal de calcio del ácido dipicolínico, se incorpora a la preespora durante este tiempo. El ácido dipicolínico ayuda a estabilizar las proteínas y el ADN en la endospora. ^{[16] : 141} A continuación, se forma la corteza de peptidoglicano entre las dos capas y la bacteria agrega una capa de esporas al exterior de la preespora. En las etapas finales de la formación de la endospora, la endospora recién formada se deshidrata y se deja madurar antes de ser liberada de la célula madre. ^[3] La corteza es lo que hace que la endospora sea tan resistente a la temperatura. La corteza contiene una membrana interna conocida como núcleo. La membrana interna que rodea este núcleo hace que la endospora sea resistente a la luz ultravioleta y a los productos químicos agresivos que normalmente destruirían a los microbios. ^[3] La esporulación ya está completa y la endospora madura se liberará cuando la célula vegetativa circundante se degrade.

Las endosporas son resistentes a la mayoría de los agentes que normalmente matarían a las células vegetativas de las que se formaron. A diferencia de las células persistentes , las endosporas son el resultado de un proceso de diferenciación morfológica desencadenado por la limitación de nutrientes (inanición) en el medio ambiente; la endosporulación se inicia por detección de quórum dentro de la población "hambruna". ^{[16] : 141} La mayoría de los desinfectantes, como los productos de limpieza domésticos, los alcoholes , los compuestos de amonio cuaternario y los detergentes, tienen poco efecto sobre las endosporas. Sin embargo, los agentes alquilantes esterilizantes como el óxido de etileno (ETO) y el blanqueador al 10% son eficaces contra las endosporas. Para matar la mayoría de las esporas de ántrax , el blanqueador doméstico estándar (con hipoclorito de sodio al 10% ) debe estar en contacto con las esporas durante al menos varios minutos; una proporción muy pequeña de esporas puede sobrevivir más de 10 minutos en dicha solución. ^[17] Las concentraciones más altas de blanqueador no son más efectivas y pueden hacer que algunos tipos de bacterias se agreguen y, por lo tanto, sobrevivan.

Aunque son significativamente resistentes al calor y la radiación, las endosporas pueden destruirse quemándolas o colocándolas en un autoclave a una temperatura superior al punto de ebullición del agua, 100 °C. Las endosporas pueden sobrevivir a 100 °C durante horas, aunque cuanto mayor sea el número de horas, menos sobrevivirán. Una forma indirecta de destruirlas es colocarlas en un entorno que las reactive a su estado vegetativo. Germinarán en un día o dos con las condiciones ambientales adecuadas, y luego las células vegetativas, no tan resistentes como las endosporas, pueden destruirse directamente. Este método indirecto se llama tyndallización . Fue el método habitual durante un tiempo a fines del siglo XIX, antes de la introducción de autoclaves económicos. La exposición prolongada a la radiación ionizante , como los rayos X y los rayos gamma , también matará la mayoría de las endosporas.

Las endosporas de ciertos tipos de bacterias (normalmente no patógenas), como Geobacillus stearothermophilus , se utilizan como sondas para verificar que un elemento esterilizado en autoclave se ha esterilizado de verdad: se coloca una pequeña cápsula que contiene las esporas en el autoclave junto con los elementos; después del ciclo, se cultiva el contenido de la cápsula para comprobar si crece algo a partir de ella. Si no crece nada, entonces las esporas se destruyeron y la esterilización fue un éxito. ^[18]

En los hospitales, las endosporas presentes en instrumentos invasivos delicados, como los endoscopios, se eliminan con esterilizadores de óxido de etileno de baja temperatura y no corrosivos. El óxido de etileno es el único esterilizante de baja temperatura que detiene los brotes en estos instrumentos. ^[19] En cambio, la "desinfección de alto nivel" no elimina las endosporas, pero se utiliza para instrumentos como el colonoscopio que no entran en cavidades corporales estériles. Este último método utiliza solo agua tibia, enzimas y detergentes.

Las endosporas bacterianas son resistentes a los antibióticos, a la mayoría de los desinfectantes y a agentes físicos como la radiación, la ebullición y la desecación. Se cree que la impermeabilidad de la capa de esporas es la responsable de la resistencia de las endosporas a los productos químicos. La resistencia al calor de las endosporas se debe a diversos factores:

• El dipicolinato de calcio, abundante dentro de la endospora, puede estabilizar y proteger el ADN de la endospora.
• Las pequeñas proteínas solubles en ácido (SASP) saturan el ADN de la endospora y lo protegen del calor, la desecación, los productos químicos y la radiación. También funcionan como fuente de carbono y energía para el desarrollo de una bacteria vegetativa durante la germinación.
• La corteza puede eliminar osmóticamente agua del interior de la endospora y se cree que la deshidratación resultante es muy importante para la resistencia de la endospora al calor y la radiación.
• Finalmente, las enzimas reparadoras del ADN contenidas en la endospora pueden reparar el ADN dañado durante la germinación.

La reactivación de la endospora ocurre cuando las condiciones son más favorables e implica activación , germinación y crecimiento . Incluso si una endospora se encuentra en una zona con abundantes nutrientes, puede no germinar a menos que se haya producido la activación. Esto puede ser provocado por el calentamiento de la endospora. La germinación implica que la endospora latente inicie la actividad metabólica y rompa así la hibernación. Se caracteriza comúnmente por la ruptura o absorción de la capa de la espora, la hinchazón de la endospora, un aumento de la actividad metabólica y la pérdida de resistencia al estrés ambiental.

El crecimiento sigue a la germinación e implica que el núcleo de la endospora fabrique nuevos componentes químicos y salga de la vieja capa de espora para convertirse en una célula bacteriana vegetativa completamente funcional, que puede dividirse para producir más células.

Las endosporas poseen cinco veces más azufre que las células vegetativas. Este exceso de azufre se concentra en las capas de las esporas en forma de aminoácido, cisteína . Se cree que la macromolécula responsable de mantener el estado latente tiene una capa proteica rica en cistina, estabilizada por enlaces SS. Una reducción de estos enlaces tiene el potencial de cambiar la estructura terciaria, haciendo que la proteína se despliegue. Se cree que este cambio conformacional en la proteína es responsable de exponer los sitios enzimáticos activos necesarios para la germinación de las endosporas. ^[20]

Las endosporas pueden permanecer latentes durante mucho tiempo. Por ejemplo, se encontraron endosporas en las tumbas de los faraones egipcios. Cuando se colocaron en un medio apropiado, bajo condiciones apropiadas, pudieron reactivarse. En 1995, Raúl Cano de la Universidad Politécnica Estatal de California encontró esporas bacterianas en el intestino de una abeja fosilizada atrapada en ámbar de un árbol en la República Dominicana . La abeja fosilizada en ámbar tenía unos 25 millones de años. Las esporas germinaron cuando se abrió el ámbar y se extrajo el material del intestino de la abeja y se colocó en un medio nutritivo. Después de analizar las esporas mediante microscopía, se determinó que las células eran muy similares a Lysinibacillus sphaericus que se encuentra en las abejas de la República Dominicana en la actualidad. ^[16]

Como modelo simplificado de la diferenciación celular , los detalles moleculares de la formación de endosporas se han estudiado ampliamente, específicamente en el organismo modelo Bacillus subtilis . Estos estudios han contribuido mucho a nuestra comprensión de la regulación de la expresión génica , los factores de transcripción y las subunidades del factor sigma de la ARN polimerasa .

En los ataques con ántrax de 2001 se utilizaron endosporas de la bacteria Bacillus anthracis . El polvo encontrado en las cartas postales contaminadas consistía en endosporas de ántrax. Esta distribución intencional dio lugar a 22 casos conocidos de ántrax (11 por inhalación y 11 por vía cutánea). La tasa de letalidad entre los pacientes con ántrax por inhalación fue del 45% (5/11). Los otros seis individuos con ántrax por inhalación y todos los individuos con ántrax cutáneo se recuperaron. De no haber sido por la terapia con antibióticos, muchos más podrían haber sido afectados. ^[16]

Según documentos veterinarios de la OMS, B. anthracis esporula cuando ve oxígeno en lugar del dióxido de carbono presente en la sangre de los mamíferos; esto indica a la bacteria que ha llegado al final del animal y una morfología dispersable inactiva es útil.

La esporulación requiere la presencia de oxígeno libre. En la situación natural, esto significa que los ciclos vegetativos ocurren dentro del ambiente con poco oxígeno del huésped infectado y, dentro del huésped, el organismo se encuentra exclusivamente en la forma vegetativa. Una vez fuera del huésped, la esporulación comienza con la exposición al aire y las formas de esporas son esencialmente la fase exclusiva en el ambiente. ^{[21] [22]}

Las esporas de Bacillus subtilis son útiles para la expresión de proteínas recombinantes y en particular para la visualización superficial de péptidos y proteínas como herramienta para la investigación fundamental y aplicada en los campos de la microbiología, la biotecnología y la vacunación. ^[23]

Entre los ejemplos de bacterias formadoras de endosporas se incluyen los géneros:

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Endospora.

• Marise A. Hussey y Anne Zayaitz – Protocolo de tinción de endosporas – Microbe Library (Sociedad Estadounidense de Microbiología)
• Endosporas – Breve página de texto sobre microbiología
• Verde malaquita – Técnica de tinción de endosporas (video)
• Resistencia de las endosporas de bacilos a ambientes terrestres y extraterrestres extremos