NỘI BÀO TỬ: ĐẶC ĐIỂM, CẤU TẠO, HÌNH THÀNH, CHỨC NĂNG - SINH HỌC - 2026

Nội bào tử là hình thức tồn tại của một số vi khuẩn, bao gồm các tế bào không hoạt động và các lớp bảo vệ phủ mất nước, cho thấy khả năng chống chịu cực kỳ khắc nghiệt đối với áp lực hóa học và vật lý. Chúng có thể tồn tại vô thời hạn trong điều kiện thiếu chất dinh dưỡng. Chúng được hình thành bên trong vi khuẩn.

Nội bào tử là những cấu trúc sống có khả năng chống chịu tốt nhất được biết đến. Chúng có thể tồn tại ở nhiệt độ cao, tia cực tím, bức xạ gamma, hút ẩm, thẩm thấu, tác nhân hóa học và thủy phân bằng enzym.

Nguồn: Cơ sở kính hiển vi điện tử Dartmouth, Đại học Dartmouth

Khi điều kiện môi trường quyết định, nội bào tử nảy mầm làm phát sinh vi khuẩn hoạt động kiếm ăn và sinh sôi.

Nội bào tử là một loại bào tử. Có nấm, động vật nguyên sinh, tảo và thực vật tạo ra các loại riêng của chúng. Nội bào tử thiếu chức năng sinh sản: mỗi tế bào vi khuẩn chỉ tạo ra một. Ở các sinh vật khác thì ngược lại, chúng có thể có chức năng sinh sản.

Lịch sử

Vào giữa thế kỷ 17, nhà buôn vải người Hà Lan và người tiên phong về vi sinh vật học Antonie van Leeuwenhoek, sử dụng kính hiển vi tài tình do chính ông thiết kế và chế tạo, là người đầu tiên quan sát các vi sinh vật sống, bao gồm động vật nguyên sinh, tảo, nấm men, nấm và vi khuẩn.

Năm 1859, Viện Hàn lâm Khoa học Pháp đã tài trợ cho một cuộc thi mà nhà hóa học người Pháp Louis Pasteur tham gia. Mục tiêu là làm sáng tỏ thông qua một thí nghiệm về "sự phát sinh tự phát", một giả thuyết cổ xưa đề xuất rằng sự sống có thể phát sinh từ "lực lượng quan trọng" hoặc "chất truyền" có trong vật chất không sống hoặc đang phân hủy.

Pasteur đã chỉ ra rằng, như trong trường hợp rượu vang, không khí và các hạt rắn là nguồn gốc của các vi sinh vật phát triển trong môi trường nuôi cấy đã được khử trùng bằng nhiệt trước đó. Ngay sau đó, vào năm 1877, nhà vật lý người Anh John Tyndall đã chứng thực những quan sát của Pasteur, giáng đòn cuối cùng vào giả thuyết về sự phát sinh tự phát.

Tyndall cũng đưa ra bằng chứng về các dạng vi khuẩn chịu nhiệt cực tốt. Một cách độc lập, từ năm 1872 đến 1885, nhà thực vật học người Đức Ferdinand Cohn, người được coi là người sáng lập ra ngành vi sinh hiện đại, đã mô tả chi tiết nội bào tử vi khuẩn.

Tuổi thọ

Hầu hết các sinh vật sống trong môi trường thay đổi theo thời gian và không gian. Một chiến lược phổ biến để tồn tại trong điều kiện môi trường tạm thời không thích hợp cho sự phát triển và sinh sản là chuyển sang trạng thái ngủ đông có thể đảo ngược, trong đó các cá thể trú ẩn trong các cấu trúc bảo vệ và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của chúng.

Sự chuyển đổi giữa trạng thái hoạt động và tiềm ẩn rất tốn kém về mặt trao đổi chất. Khoản đầu tư này lớn hơn khi các cá nhân phải xây dựng các cấu trúc bảo vệ của riêng mình, có thể là cấu tạo từ các vật liệu ngoại sinh hoặc sinh tổng hợp bên trong. Ngoài ra, các cá nhân phải có khả năng đáp ứng với các kích thích của môi trường gây ra quá trình chuyển đổi.

Độ trễ tạo ra một ổ chứa các cá thể không hoạt động có thể được kích hoạt khi các điều kiện thuận lợi xuất hiện trở lại. Những hồ chứa này cho phép bảo tồn các quần thể và sự đa dạng di truyền của chúng. Khi nói đến vi khuẩn gây bệnh sản sinh nội bào tử, thời gian tiềm ẩn tạo điều kiện cho chúng lây truyền và gây khó khăn cho việc kiểm soát chúng.

Nội bào tử vi khuẩn có thể tồn tại trong nhiều năm. Người ta đã lập luận rằng nội bào tử được bảo quản trong các chất nền cổ đại, chẳng hạn như lớp băng vĩnh cửu, trầm tích thủy sinh, trầm tích muối dưới lòng đất, hoặc hổ phách có thể tồn tại trong hàng nghìn và thậm chí hàng triệu năm.

Quan sát

Hình dung vị trí và các đặc điểm khác của nội bào tử rất hữu ích cho việc xác định các loài vi khuẩn.

Có thể nhìn thấy nội bào tử bằng kính hiển vi ánh sáng. Ở vi khuẩn bị nhuộm Gram hoặc xanh methylen, chúng được phân biệt là vùng không màu trong tế bào vi khuẩn sinh dưỡng. Điều này là do thành của nội bào tử có khả năng chống lại sự xâm nhập của thuốc thử nhuộm thông thường.

Một phương pháp nhuộm cụ thể cho nội bào tử, được gọi là nhuộm phân biệt Schaeffer-Fulton, đã được phát triển để làm cho chúng có thể nhìn thấy rõ ràng. Phương pháp này cho phép hình dung cả những cái bên trong tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn và những cái bên ngoài nó.

Phương pháp Schaeffer-Fulton dựa trên khả năng nhuộm màu thành của bào tử nội bào tử. Sau khi bôi chất này, safranin được dùng để tạo màu cho các tế bào sinh dưỡng.

Kết quả là sự nhuộm màu khác biệt giữa nội bào tử và tế bào sinh dưỡng. Cái trước có màu xanh lục và cái sau có màu hơi hồng.

Kết cấu

Trong tế bào sinh dưỡng hay còn gọi là túi bào tử, nội bào tử có thể nằm ở vị trí tận cùng, dưới tiểu bào tử hoặc trung tâm. Dạng vi khuẩn này có 4 lớp: tủy, vách mầm, vỏ não và vỏ. Ở một số loài có một lớp màng ngoài thứ năm gọi là exosporium, được cấu tạo bởi lipoprotein có chứa carbohydrate.

Tủy hay trung tâm là nguyên sinh chất của nội bào tử. Nó chứa nhiễm sắc thể, ribosome và một hệ thống tạo ra năng lượng đường phân. Nó có thể không có cytochromes, ngay cả ở các loài hiếu khí.

Năng lượng cho quá trình nảy mầm được lưu trữ trong 3-phosphoglycerate (không có ATP). Nó có hàm lượng axit ađipicolinic cao (5–15% trọng lượng khô của nội bào tử).

Thành mầm của bào tử bao quanh màng tuỷ. Nó chứa peptidoglycan điển hình, trong quá trình đá quý sẽ trở thành thành tế bào của tế bào sinh dưỡng.

Vỏ não là lớp dày nhất của nội bào tử. Bao quanh thành mầm. Nó chứa peptidoglycan không điển hình, với ít liên kết chéo hơn so với thông thường, điều này làm cho nó rất nhạy cảm với sự tự phân của lysozyme, cần thiết cho sự nảy mầm.

Lớp lông này được cấu tạo từ một protein giống như keratin chứa nhiều liên kết disulfua nội phân tử. Bao quanh vỏ não. Tính không thấm của nó mang lại khả năng chống lại các cuộc tấn công hóa học.

Sinh lý học

Axit dipicolinic dường như có vai trò trong việc duy trì độ trễ, ổn định DNA và khả năng chịu nhiệt. Sự hiện diện của các protein hòa tan nhỏ trong axit này bão hòa DNA và bảo vệ DNA khỏi nhiệt, sự hút ẩm, tia cực tím và hóa chất.

Quá trình tổng hợp peptidoglycan không điển hình bắt đầu khi hình thành vách ngăn không đối xứng phân chia tế bào sinh dưỡng. Bằng cách này, peptidoglycan phân chia tế bào gốc, trong đó tiền bào tử sẽ phát triển thành hai ngăn. Peptidoglycan bảo vệ nó khỏi sự mất cân bằng thẩm thấu.

Vỏ não loại bỏ nước khỏi nguyên sinh chất một cách thẩm thấu, làm cho nó có khả năng chống lại tác hại của nhiệt và bức xạ tốt hơn.

Nội bào tử chứa các enzym sửa chữa DNA, hoạt động trong quá trình kích hoạt tủy và sự nảy mầm tiếp theo của nó.

Bào tử

Quá trình hình thành nội bào tử từ một tế bào vi khuẩn sinh dưỡng được gọi là bào tử hoặc sinh bào tử.

Nội bào tử xảy ra thường xuyên hơn khi một số chất dinh dưỡng quan trọng bị thiếu hụt. Cũng có thể có sản sinh nội bào tử, đại diện cho bảo hiểm nhân thọ chống lại sự tuyệt chủng, khi chất dinh dưỡng dồi dào và các điều kiện môi trường khác thuận lợi.

Sự hình thành bao gồm năm giai đoạn:

1) Hình thành vách ngăn (màng tuỷ, vách mầm của bào tử). Một phần của tế bào chất (tủy tương lai) và một nhiễm sắc thể đã sao chép được phân lập.

2) Thành mầm của bào tử phát triển.

3) Vỏ não được tổng hợp.

4) Bìa được hình thành.

5) Tế bào sinh dưỡng suy thoái và chết đi do đó giải phóng ra nội bào tử.

Nảy mầm

Quá trình biến đổi nội bào tử thành tế bào sinh dưỡng được gọi là quá trình nảy mầm. Điều này được kích hoạt bởi sự phân hủy enzym của lớp bọc nội bào tử, cho phép quá trình hydrat hóa tủy và khởi động lại hoạt động trao đổi chất.

Sự nảy mầm bao gồm ba giai đoạn:

1) Kích hoạt. Nó xảy ra khi mài mòn, tác nhân hóa học hoặc nhiệt làm hỏng vỏ.

2) Sự nảy mầm (hoặc sự khởi đầu). Nó bắt đầu nếu điều kiện môi trường thuận lợi. Peptidoglycan bị phân hủy, axit ađipicolinic được giải phóng và tế bào bị ngậm nước.

3) Bùng phát. Vỏ não bị thoái hóa và quá trình sinh tổng hợp và phân chia tế bào bắt đầu lại.

Bệnh học

Nội bào tử của vi khuẩn gây bệnh là một vấn đề sức khỏe nghiêm trọng do khả năng chống lại nhiệt độ nóng, đông lạnh, mất nước và bức xạ của chúng, làm chết các tế bào sinh dưỡng.

Ví dụ, một số nội bào tử có thể tồn tại vài giờ trong nước sôi (100 ° C). Ngược lại, tế bào sinh dưỡng không chịu được nhiệt độ trên 70 ° C.

Một số vi khuẩn sản sinh nội bào tử của các chi Clostridium và Bacillus bài tiết các độc tố protein mạnh gây ngộ độc thịt, uốn ván và bệnh than.

Tùy từng trường hợp, các phương pháp điều trị bao gồm rửa dạ dày, làm sạch vết thương, dùng thuốc kháng sinh hoặc liệu pháp chống độc. Các biện pháp phòng ngừa bao gồm vệ sinh, khử trùng và tiêm chủng.

Ngộ độc thịt

Nguyên nhân là do nhiễm các bào tử của Clostridium botulinum. Triệu chứng rõ ràng nhất của nó là tê liệt cơ, có thể dẫn đến tử vong. Tỷ lệ mắc bệnh của nó thấp.

Có ba loại ngộ độc. Trẻ sơ sinh là do ăn phải mật ong hoặc các chất phụ gia khác, bị ô nhiễm bởi không khí, đã được thêm vào sữa. Về phần mình, thực phẩm được tạo ra do ăn phải thực phẩm bị ô nhiễm (chẳng hạn như đồ hộp), sống hoặc nấu chưa chín. Cuối cùng, tổn thương sinh ra do tiếp xúc với mặt đất, là môi trường sống tự nhiên của C. botulinum.

Uốn ván

Nó do Clostridium tetani gây ra. Các triệu chứng của nó bao gồm các cơn co cơ rất đau (trong tiếng Hy Lạp, từ "uốn ván" có nghĩa là co lại) và mạnh đến mức có thể gây gãy xương. Nó thường gây tử vong. Tỷ lệ mắc bệnh của nó thấp.

Các bào tử nhiễm của C. tetani thường xâm nhập vào cơ thể qua vết thương, tại đó chúng nảy mầm. Trong quá trình sinh trưởng, vết thương cần được cung cấp oxy kém, các tế bào sinh dưỡng sản sinh ra độc tố uốn ván.

Vi khuẩn và nội bào tử của chúng phổ biến trong môi trường, bao gồm cả đất. Chúng đã được tìm thấy trong phân của người và động vật.

Bệnh than

Nó do Bacillus anthracis gây ra. Các triệu chứng của nó rất khác nhau tùy thuộc vào môi trường và vị trí nhiễm trùng. Đây là một căn bệnh nghiêm trọng và thường gây tử vong. Tỷ lệ mắc bệnh của nó cao vừa phải, gây ra dịch bệnh ở động vật và người. Vào thế kỷ 18, bệnh than đã giết chết những con cừu ở châu Âu.

Động vật có vú ăn cỏ là vật chủ tự nhiên của nó. Con người bị nhiễm bệnh khi tiếp xúc (thường là do nghề nghiệp) với động vật, hoặc do tiếp xúc hoặc ăn phải các sản phẩm động vật.

Có ba loại bệnh than:

1) Da. Mục nhập được tạo ra bởi chấn thương. Trên da hình thành các vết loét hoại tử, màu đen.

2) Bằng cách hít vào. Lối vào trong khi thở. Nó tạo ra chứng viêm và chảy máu bên trong và dẫn đến hôn mê.

3) Tiêu hóa. Nhập bằng cách nhập. Nó gây ra loét hầu họng, chảy máu nặng ở bụng và tiêu chảy.

Trong khoảng 95% trường hợp, bệnh than ở người là qua da. Trong ít hơn 1% đó là đường tiêu hóa.

Điều khiển

Nội bào tử có thể bị tiêu diệt bằng cách khử trùng trong nồi hấp, kết hợp áp suất 15 psi và nhiệt độ 115–125 ° C trong 7–70 phút. Chúng cũng có thể bị loại bỏ bằng cách thay đổi xen kẽ nhiệt độ và áp suất, như vậy có sự nảy mầm của bào tử, sau đó là chết vi khuẩn sinh dưỡng.

Axit peracetic là một trong những tác nhân hóa học hiệu quả nhất để tiêu diệt nội bào tử. Iốt, đóng rắn (hòa tan trong rượu) hoặc iodophor (kết hợp với một phân tử hữu cơ) cũng thường gây chết nội bào tử.

Việc phá hủy nội bào tử trong dụng cụ phẫu thuật đạt được hiệu quả bằng cách đưa chúng vào một vật chứa mà trong đó plasma (khí kích thích giàu gốc tự do) được tạo ra, trong đó một số tác nhân hóa học nhất định phải chịu áp suất âm và trường điện từ.

Việc phá hủy nội bào tử trong các vật thể lớn, chẳng hạn như nệm, đạt được bằng cách cho chúng tiếp xúc với ethylene oxide trong vài giờ kết hợp với một loại khí không cháy.

Các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm sử dụng chlorine dioxide trong dung dịch nước để hun trùng các khu vực có khả năng bị nhiễm nội bào tử bệnh than.

Natri nitrit được thêm vào các sản phẩm thịt và nisin kháng sinh được thêm vào pho mát, ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn sản sinh nội bào tử.

Vũ khí sinh học và khủng bố sinh học

Bacillus anthracis rất dễ trồng. Vì lý do này, trong hai cuộc chiến tranh thế giới, nó đã được đưa vào kho vũ khí sinh học của Đức, Anh, Hoa Kỳ, Nhật Bản và Liên Xô.

Năm 1937, quân đội Nhật Bản đã sử dụng bệnh than làm vũ khí sinh học để chống lại thường dân Trung Quốc ở Mãn Châu. Năm 1979, tại Sverdlovsk, Nga, ít nhất 64 người chết do vô tình hít phải bào tử từ một chủng B. anthracis có nguồn gốc quân sự. Tại Nhật Bản và Hoa Kỳ, bệnh than đã được sử dụng cho mục đích khủng bố.

Ngược lại, các nỗ lực hiện đang được thực hiện để sử dụng các lớp phủ nội bào tử làm phương tiện cho các loại thuốc điều trị và các kháng nguyên được tạo ra cho các mục đích miễn dịch phòng ngừa.

Người giới thiệu

1. Barton, LL Mối quan hệ cấu trúc và chức năng ở sinh vật nhân sơ. Springer, New York.
2. Black, JG 2008. Vi sinh vật học: nguyên tắc và khám phá. Hoboken, NJ.
3. Brooks, GF, Butel, JS, Carroll, KC, Morse, SA 2007. Vi sinh y học. McGraw-Hill, New York.
4. Cano, RJ, Borucki, MK 1995, Sự hồi sinh và xác định bào tử vi khuẩn trong hổ phách Dominica từ 25 đến 40 triệu năm tuổi. Khoa học 268, 1060-1064.
5. Duc, LH, Hong, HA, Fairweather, N., Ricca, E., Cut, SM 2003. Bào tử vi khuẩn làm phương tiện tiêm chủng. Nhiễm trùng và Miễn dịch, 71, 2810–2818.
6. Emmeluth, D. 2010. Bệnh ngộ độc. Nhà xuất bản Infobase, New York.
7. Guilfoile, P. 2008. Uốn ván. Nhà xuất bản Infobase, New York.
8. Johnson, SS và cộng sự. 2007. Vi khuẩn cổ đại cho thấy bằng chứng về việc sửa chữa DNA. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, 104, 14401–14405.
9. Kyriacou, DM, Adamski, A., Khardori, N. 2006. Bệnh than: từ cổ xưa và tối tăm trở thành kẻ đi đầu trong khủng bố sinh học. Phòng khám Bệnh truyền nhiễm ở Bắc Mỹ, 20, 227–251.
10. Nickle DC, Leran, GH, Rain, MW, Mulins, JI, Mittler, JE 2002. DNA hiện đại kỳ lạ của một vi khuẩn "250 triệu năm tuổi". Tạp chí Tiến hóa Phân tử, 54, 134–137.
11. Prescott, LM 2002. Vi sinh vật học. McGraw-Hill, New York.
12. Renberg, I., Nilsson, M. 1992. Vi khuẩn ngủ trong trầm tích hồ làm chỉ thị cổ sinh vật học. Tạp chí Cổ sinh, 7, 127–135.
13. Cắt Ricca, E., SM. 2003. Các ứng dụng mới nổi của bào tử vi khuẩn trong công nghệ nano. Tạp chí Công nghệ nano, jnanobiotechnology.com
14. Schmid, G., Kaufmann, A. 2002. Bệnh than ở Châu Âu: dịch tễ học, đặc điểm lâm sàng và vai trò của nó trong khủng bố sinh học. Vi sinh lâm sàng và Nhiễm trùng, 8, 479–488.
15. Shoemaker, WR, Lennon, JT 2018. Tiến hóa với ngân hàng hạt giống: hậu quả di truyền quần thể của quá trình ngủ đông của vi sinh vật. Ứng dụng Tiến hóa, 11, 60–75.
16. Talaro, KP, Talaro, A. 2002. Cơ sở trong vi sinh vật học. McGraw-Hill, New York.
17. Tortora, GJ, Funke, BR, Case, CL 2010. Vi sinh: phần giới thiệu. Benjamin Cummings, San Francisco.
18. Vreeland, RH, Rosenzweig, WD, Powers, DW 2000. Phân lập vi khuẩn halotolerant 250 triệu năm tuổi từ một tinh thể muối chính. Bản chất 407, 897-900.