Endospore batteriche

Giovanni DI BONAVENTURA, PhDUniversità “G. D’Annunzio” di Chieti e Pescara

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)

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

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)

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

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)

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.

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

Bacillus stearothermophilus. Spora matura.

cortex

coats

esosporio

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

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

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)

SporogenesiStep-by-step

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

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

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)

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