4.5A: Endospore

Un’endospora è una struttura dormiente, resistente e non riproduttiva prodotta da alcuni batteri del phylum Firmicute. La formazione dell’endospora è di solito innescata dalla mancanza di nutrienti e di solito si verifica nei batteri Gram-positivi. Nella formazione dell’endospora, il batterio si divide all’interno della sua parete cellulare. Un lato poi inghiotte l’altro. Le endospore permettono ai batteri di rimanere dormienti per lunghi periodi, anche secoli. Quando l’ambiente diventa più favorevole, l’endospora può riattivarsi allo stato vegetativo. Esempi di batteri che possono formare endospore sono Bacillus e Clostridium. L’endospora consiste nel DNA del batterio e in parte del suo citoplasma, circondato da un rivestimento esterno molto duro. Le endospore possono sopravvivere senza nutrimento. Sono resistenti alle radiazioni ultraviolette, all’essiccazione, alle alte temperature, al congelamento estremo e ai disinfettanti chimici. Si trovano comunemente nel suolo e nell’acqua, dove possono sopravvivere per lunghi periodi di tempo. I batteri producono internamente una singola endospora.

Vedere le endospore al microscopio ottico può essere difficile a causa dell’impermeabilità della parete dell’endospora a coloranti e macchie. Mentre il resto di una cellula batterica può macchiarsi, l’endospora rimane incolore. Per combattere questo, viene usata una tecnica di colorazione speciale chiamata colorazione Moeller. Questo permette all’endospora di apparire rossa, mentre il resto della cellula si colora di blu. Un’altra tecnica di colorazione per le endospore è la colorazione Schaeffer-Fulton, che colora le endospore di verde e i corpi batterici di rosso. Ci sono variazioni nella morfologia delle endospore. Esempi di batteri con endospore terminali includono Clostridium tetani, l’agente patogeno che causa la malattia del tetano. I batteri che hanno un’endospora centrale includono Bacillus cereus, e quelli che hanno un’endospora subterminale includono Bacillus subtilis. A volte l’endospora può essere così grande che la cellula può essere distesa intorno all’endospora. Questo è tipico del Clostridium tetani.

Quando un batterio rileva che le condizioni ambientali stanno diventando sfavorevoli può iniziare il processo di endosporazione, che richiede circa otto ore. Il DNA viene replicato e una parete di membrana nota come setto della spora comincia a formarsi tra essa e il resto della cellula. La membrana plasmatica della cellula circonda questa parete e si stacca per lasciare una doppia membrana intorno al DNA, e la struttura in via di sviluppo è ora conosciuta come una forespora. Il dipicolinato di calcio viene incorporato nella forespora durante questo periodo. Successivamente la corteccia di peptidoglicano si forma tra i due strati e il batterio aggiunge un rivestimento di spore all’esterno della forespora. La sporulazione è ora completa, e l’endospora matura sarà rilasciata quando la cellula vegetativa circostante sarà degradata.

Anche se resistente al calore estremo e alle radiazioni, le endospore possono essere distrutte dalla combustione o dall’autoclave. Le endospore sono in grado di sopravvivere alla bollitura a 100°C per ore, anche se più lungo è il numero di ore e meno ne sopravvivono. Un modo indiretto per distruggerle è metterle in un ambiente che le riattiva allo stato vegetativo. Germineranno entro un giorno o due con le giuste condizioni ambientali, e poi le cellule vegetative possono essere distrutte direttamente. Questo metodo indiretto è chiamato tyndallizzazione. È stato il metodo usuale per un po’ di tempo alla fine del XIX secolo, prima dell’avvento delle autoclavi poco costose. L’esposizione prolungata alle radiazioni ionizzanti, come i raggi X e i raggi gamma, ucciderà anche la maggior parte delle endospore.

La riattivazione dell’endospora avviene quando le condizioni sono più favorevoli e comporta l’attivazione, la germinazione e la crescita. Anche se un’endospora si trova in un ambiente ricco di nutrienti, può non riuscire a germinare a meno che non ci sia stata un’attivazione. Questa può essere innescata dal riscaldamento dell’endospora. La germinazione implica che l’endospora dormiente inizi l’attività metabolica e quindi rompa il letargo. È comunemente caratterizzata dalla rottura o dall’assorbimento del mantello della spora, dal rigonfiamento dell’endospora, dall’aumento dell’attività metabolica e dalla perdita di resistenza allo stress ambientale.

Come modello semplificato di differenziazione cellulare, i dettagli molecolari della formazione dell’endospora sono stati ampiamente studiati, in particolare nell’organismo modello Bacillus subtilis. Questi studi hanno contribuito molto alla nostra comprensione della regolazione dell’espressione genica, dei fattori di trascrizione e delle subunità del fattore sigma della RNA polimerasi.

Le endospore del batterio Bacillus anthracis sono state usate negli attacchi di antrace del 2001. La polvere trovata nelle lettere postali contaminate era composta da endospore extracellulari di antrace. L’inalazione, l’ingestione o la contaminazione cutanea di queste endospore ha portato a un certo numero di morti.

Le endospore del Geobacillus stearothermophilus sono usate come indicatori biologici quando un’autoclave è usata nelle procedure di sterilizzazione. Le spore di Bacillus subtilis sono utili per l’espressione di proteine ricombinanti e in particolare per la visualizzazione in superficie di peptidi e proteine come strumento per la ricerca fondamentale e applicata nei campi della microbiologia, biotecnologia e vaccinazione.