¿Qué son las endósporas?
Las endósporas son formas de supervivencia de ciertas bacterias, constituidas por células durmientes deshidratadas y recubiertas por capas protectoras, que muestran una resistencia extrema al estrés físico y químico. Son capaces de aguantar por tiempo indefinido la ausencia de nutrientes. Se forman en el interior de las bacterias.
Las endósporas son las estructuras vivientes más resistentes que se conocen. Pueden sobrevivir a temperaturas elevadas, luz ultravioleta, radiación gamma, desecación, ósmosis, agentes químicos e hidrólisis enzimática.
Cuando las condiciones ambientales lo determinan, las endósporas germinan dando origen a bacterias activas que se alimentan y multiplican.
Son un tipo de espora. Hay hongos, protozoarios, algas y plantas que producen sus propios tipos. Las endósporas carecen de función reproductiva: cada célula bacteriana produce solo una. En otros organismos sí pueden tener función reproductiva.
Historia de las endósporas
A mediados del siglo XVII, el comerciante de telas holandés y precursor de la microbiología, Anton van Leeuwenhoek, con microscopios diseñados y elaborados por él mismo, fue el primero en observar microorganismos vivos, incluyendo protozoos, algas, levaduras, hongos y bacterias.
En 1859, la Academia de Ciencias de Francia patrocinó una competencia en la cual el químico francés Louis Pasteur participó. El objetivo era arrojar luz mediante un experimento sobre la “generación espontánea”, hipótesis milenaria que proponía que la vida surge de “fuerzas vitales” o “substancias transmisibles” presentes en la materia no viva o en descomposición.
Pasteur demostró que, como en el caso del vino, el aire y partículas sólidas son la fuente de los microbios que crecen en caldos de cultivo previamente esterilizados con calor. Poco después, en 1877, el físico inglés John Tyndall corroboró las observaciones de Pasteur, dándole la estocada final a la generación espontánea.
Tyndall además comprobó la existencia de formas bacterianas extremadamente resistentes al calor. De manera independiente, entre 1872 y 1885, el botánico alemán Ferdinand Cohn, fundador de la microbiología moderna, describió detalladamente las endósporas bacterianas.
Longevidad de las endósporas
La mayoría de los organismos vive en ambientes variables en el tiempo y el espacio. Una estrategia frecuente para sobrevivir a condiciones ambientales temporalmente inadecuadas es entrar en estado de latencia reversible, durante el cual los individuos se refugian en estructuras protectoras y minimizan su gasto energético.
La transición entre los estados activo y latente es metabólicamente costosa. Esta inversión es mayor cuando los individuos deben construir sus propias estructuras protectoras, sean estas compuestas de materiales exógenos, o biosintetizadas en su interior. Además, los individuos deben ser capaces de responder a los estímulos ambientales que provocan la transición.
La latencia genera un reservorio de individuos durmientes que pueden activarse cuando reaparecen las condiciones favorables. Estos reservorios permiten la conservación de las poblaciones y de su diversidad genética. Cuando se trata de bacterias patógenas productoras de endósporas, la latencia facilita su transmisión y dificulta su control.
Las endósporas bacterianas pueden mantenerse viables muchos años. Se ha alegado que las endósporas conservadas en sustratos antiguos, como permafrost, sedimentos acuáticos, depósitos de sales subterráneos o ámbar pueden mantenerse viables por miles e incluso millones de años.
Observación de las endósporas
Las endósporas pueden observarse en microscopio óptico. En bacterias sometidas a la tinción de Gram o con azul de metileno, se distinguen regiones incoloras dentro de la célula vegetativa bacteriana. Ello se debe a que las paredes de las endósporas son resistentes a la penetración por reactivos de tinción ordinarios.
Se ha desarrollado un método de coloración específico para endósporas, conocido como la tinción diferencial de Schaeffer-Fulton, que las hace claramente visibles. Este método permite visualizar tanto las que se encuentran dentro de la célula vegetativa bacteriana como las que están fuera.
El método de Schaeffer-Fulton se basa en la capacidad de la malaquita verde de teñir la pared de las endósporas. Después de aplicar esta sustancia, se usa safranina para colorear las células vegetativas.
El resultado es una tinción diferencial de endósporas y células vegetativas. Las primeras adquieren un color verde y las segundas, rosado.
Estructura de las endósporas
En la célula vegetativa, o esporangio, la endóspora puede localizarse terminal, subterminal, o centralmente. Esta forma bacteriana tiene cuatro capas: médula, pared germinal, córtex y cubierta. En algunas especies hay una quinta capa membranosa externa denominada exosporio, compuesta por lipoproteína que contiene carbohidratos.
- La médula o centro es el protoplasto de la endospora. Contiene el cromosoma, ribosomas y un sistema glicolítico de generación de energía. Puede no tener citocromos, incluso en especies aeróbicas. La energía para la germinación se almacena en el 3-fosfoglicerato (no hay ATP). Tiene una gran concentración de ácido dipicolínico (5-15% del peso seco de la endóspora).
- La pared germinal de la espora rodea la membrana de la médula. Contiene peptidoglicano típico, que durante la geminación se convierte en la pared celular de la célula vegetativa.
- El córtex es la capa más gruesa de la endóspora. Rodea la pared germinal. Contiene peptidoglicano atípico, con menos entrecruzamientos que el típico, lo cual lo hace muy sensible a la autólisis por lisozimas, necesaria para la germinación.
- La cubierta está compuesta por una proteína similar a la queratina que contiene numerosos enlaces disulfuro intramoleculares. Rodea el córtex. Su impermeabilidad confiere resistencia a ataques químicos.
Fisiología de las endósporas
El ácido dipicolínico parece tener un papel en el mantenimiento de la latencia, en la estabilización del ADN y en la resistencia al calor. La presencia de proteínas pequeñas solubles en este ácido satura el ADN y lo protege del calor, la desecación, la luz ultravioleta y agentes químicos.
La síntesis del peptidoglicano atípico empieza cuando se forma un septo asimétrico que divide la célula vegetativa. De esta manera, el peptidoglicano divide en dos compartimentos la célula madre en la cual se desarrollará la preespora. El peptidoglicano la protege de desbalances osmóticos.
El córtex remueve osmóticamente agua del protoplasto, haciéndolo más resistente al calor y a daños por radiación.
Las endósporas contienen enzimas reparadoras de ADN, las cuales actúan durante la activación de la médula y su subsiguiente germinación.
Esporulación de las endósporas
La esporulación, o esporogénesis, es el proceso de formación de una endóspora a partir de una célula bacteriana vegetativa.
Las endósporas se producen con mayor frecuencia cuando escasean ciertos nutrientes críticos. También puede haber producción de endósporas, que representan un seguro de vida contra la extinción, cuando abundan los nutrientes y otras condiciones ambientales son favorables.
La esporulación consta de cinco fases:
- Formación del septo (membrana de la médula, pared germinal de la espora). Una porción del citoplasma (futura médula) y un cromosoma replicado se aíslan.
- Se desarrolla la pared germinal de la espora.
- Se sintetiza el córtex.
- Se forma la cubierta.
- Se degrada y muere la célula vegetativa, liberando la endóspora.
Germinación de las endósporas
El proceso mediante el cual una endóspora se transforma en una célula vegetativa se denomina germinación. Se desencadena por la rotura enzimática de la cubierta de la endóspora, que permite la hidratación de la médula y el reinicio de la actividad metabólica.
La germinación consta de tres fases:
- Activación. Se produce cuando la abrasión, un agente químico, o el calor dañan la cubierta.
- Germinación (o iniciación). Se inicia si las condiciones ambientales son favorables. El peptidoglicano se degrada, el ácido dipicolínico se libera y la célula se hidrata.
- Brote. El córtex se degrada y la biosíntesis y la división celular se reinician.
Patología de las endósporas
Las endósporas de bacterias patógenas son un grave problema sanitario por su enorme resistencia a diversos factores, que sí matan células vegetativas.
Por ejemplo, algunas endósporas pueden sobrevivir varias horas en agua hirviendo (100 °C). En contraste, las células vegetativas no resisten temperaturas superiores a 70 °C.
Ciertas bacterias productoras de endósporas de los géneros Clostridium y Bacillus excretan potentes toxinas proteicas que causan el botulismo, el tétanos y el ántrax.
Según el caso, los tratamientos incluyen lavados gástricos, limpieza de heridas, antibióticos o terapia antitoxina. Entre las medidas preventivas se encuentran la higiene, la esterilización y la vacunación.
Botulismo
Es causado por la contaminación con esporas de Clostridium botulinum. Su síntoma más evidente es la parálisis muscular, que puede ir seguida de la muerte. Su incidencia es baja.
Hay tres tipos de botulismo.
- Infantil: causado por la ingesta de miel u otros aditivos, contaminados aéreamente, añadidos a la leche.
- Alimentario: producido por ingestión de comida contaminada (como enlatados), cruda o mal cocinada.
- De heridas: producido por contacto con la tierra, hábitat natural de C. botulinum.
Tétanos
Es causado por Clostridium tetani. Sus síntomas incluyen contracciones musculares muy dolorosas (en griego, la palabra “tetanos” significa contraer) y tan fuertes que pueden ocasionar la rotura de huesos. A menudo es fatal. Su incidencia es baja.
Las esporas infectivas de C. tetani penetran el cuerpo a través de una herida, donde germinan. Durante el crecimiento, que requiere que la herida no esté bien oxigenada, las células vegetativas producen la toxina tetánica.
La bacteria y sus endósporas son comunes en el ambiente, incluido el suelo. Se han encontrado en las heces de humanos y animales.
Ántrax
Es causado por Bacillus anthracis. Sus síntomas varían mucho, según el medio y sitio de infección. Es una enfermedad seria y a menudo fatal. Su incidencia es moderadamente alta, llegando a producir epidemias en animales y humanos. En el siglo XVIII, el ántrax diezmó las ovejas de Europa.
Los mamíferos herbívoros son su hospedador natural. Los humanos se infectan por contacto (generalmente ocupacional) con animales, o por la manipulación o ingestión de productos animales.
Hay tres tipos de ántrax:
- Cutáneo: entra por heridas. Se forman úlceras necróticas y negruzcas en la piel.
- Por inhalación: entra por la respiración. Produce inflamación y hemorragias internas y conduce al coma.
- Gastrointestinal: entrada mediante ingestión. Produce úlceras bucofaríngeas, hemorragias abdominales graves y diarrea.
En aproximadamente el 95% de los casos, el ántrax humano es cutáneo. En menos del 1% es gastrointestinal.
Control de las endósporas
Las endósporas pueden destruirse por esterilización en autoclaves, donde se combinan presiones de 15 psi y temperaturas de 115-125 °C durante 7-70 minutos. También pueden eliminarse alternando cambios de temperatura y presión, de modo que haya germinación de esporas seguida por muerte de las bacterias vegetativas resultantes.
El ácido peracético es uno de los agentes químicos más efectivos para destruir endósporas. El iodo, en tintura (disuelto en alcohol) o en iodoforo (combinado con una molécula orgánica) también suele ser letal para las endósporas.
La destrucción de endósporas en instrumentos quirúrgicos se logra eficazmente introduciéndolos en un contenedor donde se induce un plasma (gas excitado rico en radicales libres), para lo cual ciertos agentes químicos son sometidos a presión negativa y a un campo electromagnético.
En objetos grandes, como colchones, las endósporas se eliminan exponiéndolos varias horas a óxido de etileno combinado con un gas no inflamable.
Las industrias procesadoras de alimentos emplean dióxido de cloro en solución acuosa para fumigar áreas potencialmente contaminadas con endósporas de ántrax.
El nitrito de sodio añadido a productos cárnicos, y el antibiótico nisina añadido al queso, evitan el crecimiento de bacterias productoras de endósporas.
Armas biológicas y bioterrorismo
- Bacillus anthracis es fácil de cultivar. Por ello, durante las dos guerras mundiales sirvió como arma biológica en los arsenales de Alemania, Gran Bretaña, Estados Unidos, Japón y la Unión Soviética.
- En 1937 el ejército japonés usó ántrax como arma biológica contra civiles chinos en Manchuria.
- En 1979, en Sverdlovsk, Rusia, al menos 64 personas fallecieron por inhalación accidental de esporas de una cepa de B. anthracis de origen militar.
- En Japón y Estados Unidos, el ántrax ha sido utilizado con fines terroristas.
En contrapartida, actualmente se está intentando utilizar las cubiertas de endósporas como vehículo para drogas terapéuticas y para antígenos que sirvan como inmunización preventiva.
Referencias
- Barton, L. L. Structural and functional relationships in prokaryotes. Springer.
- Black, J. G. Microbiology: principles and explorations. Hoboken, NJ.
- Emmeluth, D. Botulism. Infobase Publishing.
- Guilfoile, P. Tetanus. Infobase Publishing.
- Prescott, L. M. Microbiology. McGraw-Hill.