ENDOSPORA: KARAKTERISTIK, STRUKTUR, FORMASI, FUNGSI - BIOLOGI - 2025

The endospora adalah bentuk kelangsungan hidup bakteri tertentu, terdiri dari sel-sel aktif dan dehidrasi lapisan pelindung dilapisi, menunjukkan perlawanan yang ekstrim terhadap stres kimia dan fisik. Mereka mampu bertahan tanpa batas waktu tanpa adanya nutrisi. Mereka terbentuk di dalam bakteri.

Endospora adalah struktur hidup yang paling resisten. Mereka dapat bertahan hidup pada suhu tinggi, sinar ultraviolet, radiasi gamma, pengeringan, osmosis, zat kimia, dan hidrolisis enzimatik.

Sumber: Fasilitas Mikroskop Elektron Dartmouth, Dartmouth College

Ketika kondisi lingkungan menentukannya, endospora berkecambah sehingga menimbulkan bakteri aktif yang makan dan berkembang biak.

Endospora adalah sejenis spora. Ada jamur, protozoa, alga, dan tumbuhan yang menghasilkan jenisnya sendiri. Endospora tidak memiliki fungsi reproduksi: setiap sel bakteri hanya menghasilkan satu. Sebaliknya, pada organisme lain, mereka dapat memiliki fungsi reproduksi.

Sejarah

Pada pertengahan abad ke-17, pedagang kain Belanda dan perintis mikrobiologi Antonie van Leeuwenhoek, menggunakan mikroskop cerdas yang dirancang dan dibuat sendiri, adalah orang pertama yang mengamati mikroorganisme hidup, termasuk protozoa, alga, khamir, jamur, dan bakteri.

Pada tahun 1859, Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis mensponsori kompetisi yang diikuti oleh ahli kimia Prancis Louis Pasteur. Tujuannya adalah untuk menjelaskan eksperimen tentang "generasi spontan", sebuah hipotesis kuno yang mengusulkan bahwa kehidupan dapat muncul dari "kekuatan vital" atau "zat yang dapat ditularkan" yang ada dalam materi tak hidup atau membusuk.

Pasteur menunjukkan bahwa, seperti dalam kasus anggur, udara dan partikel padat adalah sumber mikroba yang tumbuh dalam kaldu kultur yang sebelumnya disterilkan dengan panas. Tak lama setelah itu, pada tahun 1877, fisikawan Inggris John Tyndall menguatkan pengamatan Pasteur, memberikan pukulan terakhir pada hipotesis generasi spontan.

Tyndall juga memberikan bukti bentuk bakteri yang sangat tahan panas. Secara terpisah, antara tahun 1872 dan 1885, ahli botani Jerman Ferdinand Cohn, yang dianggap sebagai pendiri mikrobiologi modern, menjelaskan endospora bakteri secara rinci.

Umur panjang

Sebagian besar organisme hidup di lingkungan yang berbeda dalam ruang dan waktu. Strategi yang sering dilakukan untuk bertahan hidup dalam kondisi lingkungan yang sementara tidak cocok untuk pertumbuhan dan reproduksi adalah memasuki keadaan dormansi yang dapat dibalik, di mana individu berlindung dalam struktur pelindung dan meminimalkan pengeluaran energi mereka.

Transisi antara keadaan aktif dan laten sangat mahal secara metabolik. Investasi ini lebih besar ketika individu harus membangun struktur pelindung mereka sendiri, baik itu terdiri dari bahan eksogen, atau biosintesis di dalamnya. Selain itu, individu harus mampu merespon rangsangan lingkungan yang menyebabkan terjadinya peralihan.

Latensi menghasilkan reservoir individu yang tidak aktif yang dapat diaktifkan ketika kondisi yang menguntungkan muncul kembali. Waduk ini memungkinkan konservasi populasi dan keragaman genetiknya. Dalam hal bakteri patogen penghasil endospora, latensi memfasilitasi penularannya dan mempersulit pengendaliannya.

Endospora bakteri dapat tetap hidup selama bertahun-tahun. Telah diperdebatkan bahwa endospora yang diawetkan di substrat kuno, seperti permafrost, sedimen air, endapan garam bawah tanah, atau amber dapat bertahan selama ribuan bahkan jutaan tahun.

Pengamatan

Memvisualisasikan posisi dan karakteristik lain dari endospora sangat berguna untuk identifikasi spesies bakteri.

Endospora dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop cahaya. Pada bakteri yang terkena pewarnaan Gram atau metilen biru, ini dibedakan sebagai daerah tak berwarna dalam sel bakteri vegetatif. Ini karena dinding endospora tahan terhadap penetrasi oleh reagen pewarnaan biasa.

Metode pewarnaan khusus untuk endospora, yang dikenal sebagai pewarnaan diferensial Schaeffer-Fulton, telah dikembangkan yang membuatnya terlihat jelas. Metode ini memungkinkan untuk memvisualisasikan mereka yang berada di dalam sel vegetatif bakteri dan yang berada di luarnya.

Metode Schaeffer-Fulton didasarkan pada kemampuan malachite green untuk mewarnai dinding endospora. Setelah mengaplikasikan zat ini, safranin digunakan untuk mewarnai sel vegetatif.

Hasilnya adalah pewarnaan diferensial dari endospora dan sel vegetatif. Yang pertama memperoleh warna hijau dan yang terakhir berwarna merah muda.

Struktur

Di dalam sel vegetatif, atau sporangium, endospora dapat terletak di terminal, subterminal, atau di tengah. Bentuk bakteri ini memiliki empat lapisan: medula, dinding kuman, korteks, dan penutup. Pada beberapa spesies terdapat lapisan membran luar kelima yang disebut exosporium, terdiri dari lipoprotein yang mengandung karbohidrat.

Medula atau pusat adalah protoplas dari endospora. Ini berisi kromosom, ribosom, dan sistem penghasil energi glikolitik. Ini mungkin tidak memiliki sitokrom, bahkan pada spesies aerobik.

Energi untuk perkecambahan disimpan dalam 3-fosfogliserat (tidak ada ATP). Ia memiliki konsentrasi asam dipicolinic yang tinggi (5–15% dari berat kering endospora).

Dinding kuman spora mengelilingi membran meduler. Ini berisi peptidoglikan khas, yang selama geminasi menjadi dinding sel sel vegetatif.

Korteks adalah lapisan paling tebal dari endospora. Mengelilingi dinding kuman. Ini berisi peptidoglikan atipikal, dengan tautan silang kurang dari biasanya, yang membuatnya sangat sensitif terhadap autolisis oleh lisozim, yang diperlukan untuk perkecambahan.

Mantelnya terdiri dari protein mirip keratin yang mengandung banyak ikatan disulfida intramolekul. Mengelilingi korteks. Kedapnya memberikan ketahanan terhadap serangan kimia.

Fisiologi

Asam dipicolinic tampaknya memiliki peran dalam pemeliharaan latensi, stabilisasi DNA, dan ketahanan panas. Kehadiran protein larut kecil dalam asam ini menjenuhkan DNA dan melindunginya dari panas, pengeringan, sinar ultraviolet, dan bahan kimia.

Sintesis peptidoglikan atipikal dimulai ketika septum asimetris terbentuk yang membelah sel vegetatif. Dengan cara ini, peptidoglikan membelah sel induk di mana prespori akan berkembang menjadi dua kompartemen. Peptidoglikan melindunginya dari ketidakseimbangan osmotik.

Korteks secara osmotik menghilangkan air dari protoplas, membuatnya lebih tahan terhadap panas dan kerusakan radiasi.

Endospora mengandung enzim perbaikan DNA, yang bekerja selama aktivasi sumsum dan perkecambahan berikutnya.

Sporulasi

Proses pembentukan endospora dari sel bakteri vegetatif disebut sporulasi atau sporogenesis.

Endospora lebih sering terjadi ketika nutrisi penting tertentu tidak mencukupi. Mungkin juga ada produksi endospora, yang mewakili asuransi jiwa terhadap kepunahan, ketika nutrisi melimpah dan kondisi lingkungan lainnya mendukung.

Sporulasi terdiri dari lima fase:

1) Pembentukan septum (membran meduler, dinding germinal spora). Sebagian dari sitoplasma (medula masa depan) dan kromosom yang direplikasi diisolasi.

2) Dinding kuman spora berkembang.

3) Korteks disintesis.

4) Penutup terbentuk.

5) Sel vegetatif mengalami degradasi dan mati, sehingga melepaskan endospora.

Pengecambahan

Proses dimana endospora berubah menjadi sel vegetatif disebut perkecambahan. Hal ini dipicu oleh pemecahan enzimatik dari penutup endospora, yang memungkinkan hidrasi sumsum dan memulai kembali aktivitas metabolisme.

Perkecambahan terdiri dari tiga fase:

1) Aktivasi. Ini terjadi jika abrasi, bahan kimia, atau panas merusak penutup.

2) Perkecambahan (atau inisiasi). Ini dimulai jika kondisi lingkungan mendukung. Peptidoglikan terdegradasi, asam dipicolinic dilepaskan, dan sel terhidrasi.

3) Wabah. Korteks terdegradasi dan biosintesis dan pembelahan sel dimulai kembali.

Patologi

Endospora bakteri patogen merupakan masalah kesehatan yang serius karena ketahanannya terhadap pemanasan, pembekuan, dehidrasi, dan radiasi, yang dapat membunuh sel vegetatif.

Misalnya, beberapa endospora dapat bertahan selama beberapa jam dalam air mendidih (100 ° C). Sebaliknya, sel vegetatif tidak menahan suhu di atas 70 ° C.

Bakteri penghasil endospora tertentu dari genera Clostridium dan Bacillus mengeluarkan racun protein kuat yang menyebabkan botulisme, tetanus, dan antraks.

Bergantung pada kasusnya, perawatan termasuk lavage lambung, pembersihan luka, antibiotik, atau terapi antitoksin. Tindakan pencegahan termasuk kebersihan, sterilisasi, dan vaksinasi.

Botulisme

Ini disebabkan oleh kontaminasi spora Clostridium botulinum. Gejala yang paling jelas adalah kelumpuhan otot, yang bisa diikuti dengan kematian. Insidennya rendah.

Ada tiga jenis botulisme. Masa kanak-kanak disebabkan oleh konsumsi madu atau bahan tambahan lainnya, yang terkontaminasi oleh udara, yang telah ditambahkan ke dalam susu. Sementara itu, makanan diproduksi dengan menelan makanan yang terkontaminasi (seperti makanan kaleng), mentah atau tidak dimasak dengan baik. Terakhir, cedera terjadi karena kontak dengan tanah yang merupakan habitat alami C. botulinum.

Tetanus

Ini disebabkan oleh Clostridium tetani. Gejalanya antara lain kontraksi otot yang sangat menyakitkan (dalam bahasa Yunani, kata “tetanus” artinya berkontraksi) dan sangat kuat sehingga dapat menyebabkan patah tulang. Seringkali berakibat fatal. Insidennya rendah.

Spora infektif C. tetani biasanya masuk ke tubuh melalui luka, di mana mereka berkecambah. Selama pertumbuhan, yang mengharuskan luka kekurangan oksigen, sel vegetatif menghasilkan toksin tetanus.

Bakteri dan endosporanya banyak ditemukan di lingkungan, termasuk tanah. Mereka telah ditemukan dalam kotoran manusia dan hewan.

Anthrax

Ini disebabkan oleh Bacillus anthracis. Gejalanya sangat bervariasi tergantung pada lingkungan dan tempat infeksi. Ini adalah penyakit yang serius dan seringkali fatal. Insidennya cukup tinggi, menghasilkan epidemi pada hewan dan manusia. Pada abad ke-18, antraks membinasakan domba-domba Eropa.

Mamalia herbivora adalah inang alaminya. Manusia terinfeksi melalui kontak (biasanya pekerjaan) dengan hewan, atau dengan menangani atau menelan produk hewan.

Ada tiga jenis antraks:

1) Kulit. Entri tersebut dihasilkan oleh cedera. Bisul kehitaman, nekrotik terbentuk di kulit.

2) Melalui penghirupan. Masuk saat bernapas. Ini menghasilkan peradangan dan perdarahan internal dan menyebabkan koma.

3) Gastrointestinal. Masuk dengan konsumsi. Ini menyebabkan ulkus orofaringeal, perdarahan perut yang parah dan diare.

Pada sekitar 95% kasus, antraks manusia disebabkan oleh kulit. Kurang dari 1% itu gastrointestinal.

Kontrol

Endospora dapat dihancurkan dengan sterilisasi dalam autoklaf, menggabungkan tekanan 15 psi dan suhu 115–125 ° C selama 7–70 menit. Mereka juga dapat dihilangkan dengan mengubah suhu dan tekanan secara bergantian, sehingga terjadi perkecambahan spora diikuti dengan kematian bakteri vegetatif yang dihasilkan.

Asam perasetat adalah salah satu agen kimia paling efektif untuk menghancurkan endospora. Yodium, dalam tingtur (dilarutkan dalam alkohol) atau iodofor (dikombinasikan dengan molekul organik) juga biasanya mematikan endospora.

Penghancuran endospora dalam instrumen bedah secara efektif dicapai dengan memasukkannya ke dalam wadah di mana plasma (gas tereksitasi yang kaya akan radikal bebas) diinduksi, di mana agen kimia tertentu mengalami tekanan negatif dan medan elektromagnetik.

Penghancuran endospora pada benda besar, seperti kasur, dicapai dengan memaparkannya selama beberapa jam ke etilen oksida yang dikombinasikan dengan gas yang tidak mudah terbakar.

Industri pengolahan makanan menggunakan klorin dioksida dalam larutan air untuk mengasapi area yang berpotensi terkontaminasi endospora antraks.

Sodium nitrit ditambahkan ke produk daging, dan antibiotik nisin ditambahkan ke keju, mencegah pertumbuhan bakteri penghasil endospora.

Senjata biologis dan bioterorisme

Bacillus anthracis mudah tumbuh. Untuk alasan ini, selama dua perang dunia itu dimasukkan sebagai senjata biologis di gudang senjata Jerman, Inggris Raya, Amerika Serikat, Jepang dan Uni Soviet.

Pada tahun 1937 tentara Jepang menggunakan antraks sebagai senjata biologis untuk melawan warga sipil Tiongkok di Manchuria. Pada 1979, di Sverdlovsk, Rusia, sedikitnya 64 orang tewas karena tidak sengaja menghirup spora dari strain B. anthracis yang diturunkan dari militer. Di Jepang dan Amerika Serikat, antraks telah digunakan untuk tujuan teroris.

Sebaliknya, upaya saat ini sedang dilakukan untuk menggunakan lapisan endospora sebagai kendaraan untuk obat terapeutik dan antigen yang dibuat untuk tujuan imunisasi preventif.

Referensi

1. Barton, LL Hubungan struktural dan fungsional di prokariota. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Mikrobiologi: prinsip dan eksplorasi. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Mikrobiologi medis. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Kebangkitan dan identifikasi spora bakteri dalam damar Dominika berusia 25 hingga 40 juta tahun. Sains 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cutting, SM 2003. Spora bakteri sebagai kendaraan vaksin. Infeksi dan Imunitas, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Botulisme. Penerbitan Infobase, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Tetanus. Penerbitan Infobase, New York.
8. Johnson, SS dkk. 2007. Bakteri purba menunjukkan bukti perbaikan DNA. Prosiding National Academy of Sciences of the USA, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Anthrax: dari zaman kuno dan tidak jelas menjadi pelopor dalam bioterorisme. Klinik Penyakit Menular Amerika Utara, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. DNA modern yang aneh untuk bakteri "berusia 250 juta tahun". Jurnal Evolusi Molekuler, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Mikrobiologi. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Bakteri aktif dalam sedimen danau sebagai indikator paleoekologi. Jurnal Paleolimnologi, 7, 127–135.
13. Ricca, E., SM Pemotongan. 2003. Aplikasi yang muncul dari spora bakteri dalam nanobioteknologi. Jurnal Nanobiotechnology, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Anthrax di Eropa: epidemiologi, karakteristik klinis, dan peran dalam bioterorisme. Mikrobiologi dan Infeksi Klinis, 8, 479-488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Evolusi dengan bank benih: konsekuensi genetik populasi dari dormansi mikroba. Aplikasi Evolusioner, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Landasan dalam mikrobiologi. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Mikrobiologi: pengantar. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Isolasi bakteri halotolerant berumur 250 juta tahun dari kristal garam primer. Alam 407, 897-900.