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Endospore batteriche
Giovanni DI BONAVENTURA, PhDUniversità “G. D’Annunzio” di Chieti e Pescara
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Spora battericaCaratteristiche generali
Spora: struttura di resistenza, endocellulare (si forma dalla cellula madre o sporangio), metabolicamente inerte (quiescente)
Rifrangente (luminosa) al microscopio ottico, perché impenetrabile ai coloranti
Prodotta da batteri sporigeni (Gram-positivi) di interesse medico: aerobi (Bacillus anthracis, B. cereus)
anaerobi (Clostridium botulinum, C. tetani, C. perfringens)
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Patogeni sporigeni
Clostridium botulinum
Clostridium tetani
Clostridium perfringens
Bacillus cereus
Bacillus anthracis
Causa di tossinfezioni alimentari
Agente eziologico del carbonchio (antrace)
Agente eziologico del botulismo; puòcontaminare le conserve alimentari
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Spora battericaMorfologia e disposizione
Forma:
Sferica (Clostridium spp)
Ellittica (Bacillus spp)
Dimensioni (diametro vs sporangio):
diametro superiore (C. tetani)
diametro inferiore (B. anthracis)
Posizione:
terminale o sub-terminale (Clostridium spp)
centrale o para-centrale (Bacillus spp)
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Spora batterica
Bacillus subtilis:
• forma vegetativa (rosso)
• spore (verde)
Clostridium tetani
Le spore al microscopio ottico in contrasto di fase appaiono come strutture rifrangenti (molto luminose) libere o ancora all’interno dello sporangio
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Spora battericaUltrastruttura
Parte centrale: Citoplasma (core) circondato da
membrana plasmatica sulla cui faccia interna è addossato il cromonema
Parete cellulare rudimentale (sottile, ac. muramico disidratato)
Involucri sporali: Corteccia (cortex):
Dipicolinato di calcio, peptidoglicano compatto (interno) e lasso (esterno)
Coats (interno, esterno): Proteine (simil-cheratina), lipidi (1-2%)
Esosporio: Fosfolipoproteico (acidi teicoici,
glucosamina, acido diaminopimelico)
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Spora battericaUltrastruttura – acido dipicolinico
ACIDO DIPICOLINICO (DPA). Ruolo del Ca++ nella formazione di complessi di molecole DPA. Il DPA costituisce il 15% del peso secco della spora. Principale determinante della resistenza al calore.
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SporeResistenza al calore
Clostridium botulinum 330 minuti a 100°C
Clostridium tetani 90 minuti a 100°C
Clostridium perfrigens 30 minuti a 100°C
Cellule vegetative : 80°C per 5-10 minuti
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Bacillus stearothermophilus. Spora matura.
cortex
coats
esosporio
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SPORULAZIONE (o sporificazione o sporogenesi)
GERMINAZIONE
Forma SporaleForma Vegetativa
In presenza di appropriate condizioni ambientali è possibile ilpassaggio inverso, da spora a cellula vegetativa.
Sporulazione e germinazione
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Spore battericheSporogenesi
Processo dimorfogenetico caratterizzato dalla transizione: forma vegetativa spora
Geneticamente controllato (differenziazione):
modificazione fattore della RNA-polimerasi
derepressione genica
Avvio nella fase stazionaria di crescita, indotta da condizioni ambientali “sfavorevoli” al metabolismo batterico:
essiccamento
cambiamento di pH
variazione del tasso O2, CO2
radiazioni ionizzanti (U.V., raggi )
Secrezione di tossine ed antibiotici (polimixina B)
Durata: 6-8 ore
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Spore battericheSporogenesi
1. Addensamento del cromonema (disposizione “a sbarra”)
2. Duplicazione DNA
3. Separazione dei nucleoidi
4. Formazione della prespora
5. Apposizione di nuove membrane
6. Liberazione spora per autolisi dello sporangio
La sporogenesi è un processo molto complesso che richiede una cellula particolarmente efficiente
“ … le spore sono cellule sane minacciate dalla fame …”
(Knaysi)
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SporogenesiStep-by-step
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Sporogenesi in Paenibacillus larvae. La cellula bacillare è dotata di un sottile stratopeptidoglicanico (Fig. 1). La spora immatura (prespora) è circondata dalla cellula madre(sporangio) (Fig. 2). L’ispessimento degli involucri sporali indica che l’endospora è completa,anche se ancora all’interno dello sporangio (Fig. 3). L’endospora viene finalmente rilasciata dallosporangio. L’involucro sporale più interno è composto da massimo sette distinti strati (lamelle).
1
3
2
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Spora battericaFisiologia e caratteristiche
Totale assenza di biosintesi macromolecolari Scarso contenuto in H2O Scarsa attività enzimatica Scarso od assente (Bacillus spp) consumo di O2
Elevata resistenza chimico-fisica: calore (100°C per alcune ore):
disidratazione; stabilizzazione della struttura secondaria e terziaria delle proteine sporali; presenza di dipicolinato di calcio
essiccazione enzimi radiazioni
Caratteri antigeni identici a quelli della forma vegetativa, oltre ad alcuni antigeni specifici
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Spora battericaGerminazione
Processo dimorfogenetico: spora forma vegetativa
Indotto dal ripristino di condizioni ambientali “favorevoli” alla crescita (nutrienti, alanina in particolare)
Si articola in tre fasi successive (90 min):
1. Attivazione (stimolo chimico, dinamico, termico)
Danneggiamento (e quindi permeabilizzazione) degli involucri sporali, con eliminazione di dipicolinato e ioni Ca2+
2. Iniziazione
Ingresso di metaboliti attivanti gli enzimi litici della parte centrale della spora; distruzione della cortex
3. Crescita
Assunzione di acqua ed ioni
Ripresa delle principali funzioni metaboliche
Fuoriuscita della nuova cellula vegetativa (esocrescita)
Al termine della germinazione, la forma vegetativa può andare incontro a sporogenesi (microciclo) o avviarsi verso la riproduzione (divisione)
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Spora battericaImplicazioni pratiche
Sopravvivenza per lunghi periodi:
spore di actinomiceti scoperte nel fango a distanza di 7500 anni
spore di clostridi possono rimanere vitali per più di 500 anni
Particolare importanza delle spore in ambito:
Medico
Resistenza a disinfettanti e calore; contaminazione di ferite e materiali chirurgici
Industriale
Preparazione di conserve alimentari
Sociale
Impiego di spore di B. anthracis per scopi bioterroristici
Laboratoristico
Spore di B. stearothermophilus usate per la validazione (controllo qualità) dell’autoclave