Spore batteriche

Alcuni organismi, in determinate condizioni, sono in grado di modificare il proprio metabolismo e la propria struttura, per reagire a delle situazioni ambientali non fisiologiche e non permissive per il proprio metabolismo, con la costruzione di una struttura molto particolare, la spora o endospora.

La spora rappresenta una forma di resistenza. Una cellula nello stato sporale è considerata in uno stato criptobiotico, cioè in un riposo funzionale dove tutti i processi metabolici sono azzerati.

  • Un esempio è il seme di una pianta che non può germinare, esso ha in sé tutte le potenzialità della pianta stessa, ma non si trova nelle condizioni ideali per svilupparsi e crescere

Le spore riescono a sopravvivere per periodi lunghissimi, addirittura fino a diversi milioni di anni. I batteri in grado di sporificare sono quelli che hanno una sequenza genica ulteriore, hanno cioè una complessità a carico dell’acido nucleico maggiore rispetto alle cellule che non sono in grado di sporificare. Infatti le cellule batteriche che producono le spore possiedono:

  • geni per la costruzione di nuovi costituenti completamente diversi da quelli di una cellula vegetativa (cioè di una cellula che si sta replicando normalmente)
  • geni in grado di attivare la germinazione della spora nel caso in cui le condizioni ambientali ritornino normali

Un caso particolare è stato quello dell’estrazione di una spora da un insetto, all’interno di una struttura di ambra, dove la spora era rimasta fossilizzata per migliaia di anni, in seguito venne poi posta in un terreno di coltura e lì fu in grado di germinare, dando origine a delle cellule batteriche.

Ci sono quindi alcuni batteri in grado di sporificare, di modificare la loro situazione metabolica e strutturale, adattandosi alla variazione negativa dell’ambiente. Tali batteri fanno parte di un’unica famiglia, la famiglia delle Bacillaceae, che comprende due generi (entrambi sporigeni):

  1. il genere Bacillus, dove ci sono delle specie importanti
  • cereus
  • subtilis
  • anthracis
  • stearothermophilus

Il Bacillus cereus è responsabile d’intossicazioni, è un batterio che può andare a contaminare alcuni cibi e rimanere vitale, nonostante il cibo sia stato cotto. Il Bacillus subtilis è un contaminante ambientale, non ha delle componenti di patogenicità particolari, però se si viene a trovare in un ambiente sterile si moltiplica copiosamente. Il Bacillus stearothermophilus è interessante perché viene utilizzato come controllo nel funzionamento delle autoclavi, ovvero degli strumenti molto importanti nei laboratori e negli ospedali che sono utilizzati per sterilizzare gli strumenti, in quanto questo strumento riesce ad eliminare tutte le forme vitali. Questo bacillo riesce a sopravvivere ad elevate temperature, per essere eliminato deve essere sottoposto ad una temperatura di almeno 121 gradi centigradi per circa quindici minuti.

  1. il genere Clostridium

Il genere Clostridium è sporigeno, ma differisce dal genere Bacillus perchè è anaerobio, ovvero cresce solo in assenza di ossigeno, esso presenta inoltre delle specie importanti:

  • il Clostridium tetani
  • il Clostridium difficile
  • il Clostridium botulinum
  • il Clostridium perfringens

La struttura della spora è invece formata da:

  • il protoplasto
  • la membrana citoplasmatica non modificata
  • una parete rudimentale
  • una corteccia (chiamata anche “cortex”)
  • un esosporio (che rappresenta una membrana esterna)
  • lo sporangio (la struttura cava dove si formano le spore)

In una cellula in fase sporale vista al microscopio ottico, osserviamo che all’interno del soma batterico (chiamato ora sporangio) troviamo un corpuscolo rifrangente, che ha la caratteristica di rifrangere la luce. Al microscopio elettronico invece il preparato presenta un elevato grado di complessità.

Dall’interno verso l’esterno troviamo un citoplasma particolarmente disidratato, non c’è l’acqua libera nel citoplasma delle cellule sporali, questa caratteristica le rende particolarmente resistenti all’essiccamento ed all’ebollizione, l’unica acqua presente è quella legata ai costituenti della cellula. L’acido nucleico è solitamente schiacciato contro la membrana citoplasmatica, che è ancora presente, mentre al di sopra della membrana citoplasmatica troviamo un rudimentale peptidoglicano, al di sopra del quale troviamo uno strato chiamato cortex, costituito anch’esso da un rudimentale peptidoglicano non necessariamente uguale a quello della capsula sottostante, ma con una diversa conformazione legata alla presenza dell’acido dipicolinico (che è un acido dicarbossilico), che conferisce una grande resistenza al calore ed un’importante impermeabilità alle sostanze esterne (lo troviamo in particolare solo nelle spore). Ancora più esternamente troviamo una tunica interna ed una tunica esterna, composte da delle proteine solforate (cioè a cui sono legate dei residui di zolfo) simili alla cheratina, anch’esse molto resistenti al calore. Successivamente vi è un esosporio, ossia un’ulteriore membrana esterna. Tutto questo è contenuto all’interno dei limiti della cellula madre, lo sporangio.

L’elevato numero di strati porta ad una elevata resistenza nel tempo ai coloranti ed ai raggi ultravioletti.

La germinazione

Quando parliamo di spore, intendiamo degli organismi che sono in uno stato molto particolare, ovvero sono come delle cellule in letargo, il cui metabolismo è a zero, e che in condizioni favorevoli si risvegliano e germinano. Questo è possibile grazie ad un segnale dall’esterno che serve per attivare tutto il processo, che va a de-reprimere i geni che sono responsabili della distruzione dei tegumenti sporali (in particolare la cortex, le tuniche interne ed esterne e l’esosporio). Probabilmente esistono degli induttori esterni che riescono a dare questo segnale per attivare questi geni, repressi nella fase sporale. Di solito l’attivazione avviene per invecchiamento, il quale porta di solito ad una riassunzione della permeabilità da parte della cellula. “Invecchiare” significa “distruzione graduale della cellula”, in pratica la cellula dopo molto tempo si trova in una situazione in cui le sostanze che sono presenti nell’ambiente in cui vive riescono a degradare la cellula. Solitamente quest’attivazione viene eseguita in laboratorio. L’attivazione avviene anche per uno shock termico, ovvero con una temperatura di circa 80 gradi centigradi per una ventina di minuti, che crea delle soluzioni di continuità sulla superficie di questi tegumenti portando la cellula a riassorbire l’acqua. Se si osserva infatti la cellula shockata termicamente al microscopio elettronico, si vede che il suo DNA si torna a complessare. Inoltre viene eliminata la maggior parte dell’acido dipicolinico, riprendono le sintesi macromolecolari e si ha la fuoriuscita della cellula da questi tegumenti, si attua quindi quel processo definito come germinazione.