Bacteriële endosporen

Micro-organismen voelen veranderingen in hun omgeving aan en passen zich daaraan aan. Als hun favoriete voedingsstoffen opraken, worden sommige bacteriën beweeglijk om voedingsstoffen te zoeken, of ze produceren enzymen om alternatieve bronnen te exploiteren. Een voorbeeld van een extreme overlevingsstrategie die door bepaalde Gram-positieve bacteriën met een lage G+C wordt toegepast, is de vorming van endosporen. Dit complexe ontwikkelingsproces wordt vaak in gang gezet als reactie op een tekort aan voedingsstoffen. Het stelt de bacterie in staat een slapende en zeer resistente cel te produceren om het genetisch materiaal van de cel te bewaren in tijden van extreme stress.

Endosporen kunnen omgevingsinvloeden overleven die de bacterie normaal gesproken zouden doden. Deze stressfactoren zijn onder meer hoge temperaturen, hoge UV-straling, uitdroging, chemische schade en enzymatische vernietiging. De buitengewone resistentie-eigenschappen van endosporen maken hen van bijzonder belang omdat zij niet gemakkelijk door veel antimicrobiële behandelingen worden gedood. Allerlei micro-organismen vormen “sporen” of “cysten”, maar de endosporen van Gram-positieve bacteriën met een lage G+C-waarde zijn verreweg het best bestand tegen zware omstandigheden.

Endospore-structuur

De veerkracht van een endospore kan voor een deel worden verklaard door de unieke celstructuur. De buitenste eiwitachtige laag rond de spore zorgt voor een groot deel van de chemische en enzymatische weerstand. Onder de mantel bevindt zich een zeer dikke laag van gespecialiseerd peptidoglycan, de cortex. Een goede vorming van de cortex is nodig voor de uitdroging van de sporenkern, die daardoor beter bestand is tegen hoge temperaturen. Onder de cortex bevindt zich een kiemcelwand. Deze laag peptidoglycaan zal de celwand van de bacterie worden nadat de endospore is ontkiemd. Het binnenmembraan, onder de kiemcelwand, vormt een belangrijke barrière voor de doorlaatbaarheid tegen verscheidene potentieel schadelijke chemische stoffen. Het centrum van de endospore, de kern, bestaat in een zeer gedehydrateerde toestand en herbergt het DNA van de cel, ribosomen en grote hoeveelheden dipicolinezuur. Deze endospore-specifieke chemische stof kan tot 10% van het drooggewicht van de spore uitmaken en lijkt een rol te spelen bij het in stand houden van de dormantie van de sporen. Kleine in zuur oplosbare eiwitten (SASP’s) worden ook alleen in endosporen aangetroffen. Deze eiwitten binden en condenseren het DNA, en zijn gedeeltelijk verantwoordelijk voor de resistentie tegen UV-licht en chemicaliën die het DNA beschadigen. Andere soortspecifieke structuren en chemicaliën die met endosporen worden geassocieerd zijn onder meer stengels, toxinekristallen, of een extra buitenste glycoproteïnelaag die het exosporium wordt genoemd.

Endospore-ontwikkeling

Het proces van de vorming van een endospore is complex. Het modelorganisme dat wordt gebruikt om endosporevorming te bestuderen is Bacillus subtilis. De ontwikkeling van een endospore neemt verscheidene uren in beslag. Belangrijke morfologische veranderingen in het proces zijn gebruikt als markers om ontwikkelingsstadia te definiëren. Wanneer een cel begint met de vorming van een endospore, deelt hij zich asymmetrisch (stadium II). Hierdoor ontstaan twee compartimenten, de grotere moedercel en de kleinere forespore. Deze twee cellen hebben een verschillende ontwikkelingsbestemming. Intercellulaire communicatiesystemen coördineren de celspecifieke genexpressie door de opeenvolgende activering van gespecialiseerde sigma-factoren in elk van de cellen. Vervolgens (stadium III) wordt het peptidoglycaan in het septum afgebroken en wordt de forespore opgeslokt door de moedercel, waardoor een cel in een cel ontstaat. De activiteiten van de moedercel en de forespore leiden tot de synthese van de endospore-specifieke verbindingen, de vorming van de cortex en de afzetting van de mantel (stadia IV+V). Dit wordt gevolgd door de uiteindelijke dehydratie en rijping van de endospore (stadia VI+VII). Tenslotte wordt de moedercel vernietigd in een geprogrammeerde celdood, en de endospore komt vrij in het milieu. De endospore blijft slapend totdat hij merkt dat de omstandigheden weer gunstiger zijn.

Endosporen en Epulopiscium

Sommige Epulopiscium-achtige symbionten van de chirurgvis vormen ’s nachts rijpe endosporen. Deze sporen bezitten alle karakteristieke beschermlagen van de endosporen van B. subtilis en bevatten ook grote hoeveelheden dipicolinezuur. Dit zijn de grootste endosporen die tot dusver zijn beschreven, waarbij de grootste meer dan 4000 keer groter is dan een Bacillus subtilis endospore.

De vorming van endosporen kan bijdragen aan de instandhouding van de symbiotische associatie tussen deze Epulopiscium-achtige symbionten en hun gastheren van de chirurgenvis. Aangezien de vorming van endosporen samenvalt met perioden waarin de gastchurgenvis zich niet actief voedt, hoeven de cellen niet te concurreren om de beperkte voedingsstoffen die ’s nachts in de darm aanwezig zijn. De beschermende eigenschappen van de endosporen zorgen er ook voor dat zij de passage naar nieuwe gastheren van de chirurgvis kunnen overleven. De vis kan ook baat hebben bij deze relatie omdat hij stabiele microbiële populaties in stand kan houden die helpen bij de spijsvertering en een voedingsvoordeel kan halen uit microbiële producten die vrijkomen bij het afsterven van de moedercel en het ontkiemen van de sporen.

De endosporevorming bij sommige Epulopiscium-achtige symbionten volgt een dagelijkse cyclus:
A) polaire septa worden gevormd aan de polen van de cel.
B) voorespora worden opgeslokt.
C) De voorporen nemen in de loop van de dag geleidelijk in omvang toe binnen de moedercel.
D) In de late namiddag worden de laatste voorbereidingen getroffen voor het slapengaan van de endosporen.
E) De endosporen rijpen en blijven het grootste deel van de nacht slapend.
F) Vlak voor zonsopgang ontkiemen de endosporen en komen ze vrij uit de moedercel om de cyclus te herhalen.