Микробная киста

Микробная циста — это покоящаяся или спящая стадия микроорганизма , которую можно рассматривать как состояние анабиоза , в котором метаболические процессы клетки замедляются, и клетка прекращает все виды деятельности, такие как питание и движение. Многие группы одноклеточных, микроскопических организмов или микробов [ ^1] обладают способностью входить в это состояние покоя.

Инцистирование, процесс образования цист, может функционировать как метод распространения и как способ выживания организма в неблагоприятных условиях окружающей среды. Эти две функции могут быть объединены, когда микробу необходимо выживать в суровых условиях между обитаемыми средами (например, между хозяевами) для распространения. Цисты также могут быть местами ядерной реорганизации и деления клеток, а у паразитических видов они часто являются инфекционной стадией между хозяевами. Когда инцистированный микроб достигает среды, благоприятной для его роста и выживания, стенка цисты разрушается в процессе, известном как эксцистирование . ^[2]

Условия окружающей среды, которые могут спровоцировать инцистирование, включают, помимо прочего: недостаток питательных веществ или кислорода, экстремальные температуры, высыхание , неблагоприятный pH и присутствие токсичных химических веществ, которые не способствуют росту микроба. ^{[3] [4]}

Идея о том, что микробы могут временно принимать альтернативное состояние бытия, чтобы противостоять изменениям условий окружающей среды, зародилась в 1702 году в исследовании Антони ван Левенгука , посвященном животным , в настоящее время известным как коловратки : ^[5]

«Я часто помещал ранее описанных мною животных из воды, не оставляя ни песчинки рядом с ними, чтобы посмотреть, лопнут ли их тела, когда вся вода вокруг них испарится и они окажутся на воздухе, как я часто видел у других животных. Но теперь я обнаружил, что когда почти вся вода испарилась, так что существо больше не могло быть покрыто водой и двигаться как обычно, оно сжалось в овальную фигуру и в таком состоянии оставалось, и я не мог заметить, чтобы влага испарилась из его тела, поскольку оно сохранило свою овальную и круглую форму, невредимо». ^[5]

Позднее Левенгук продолжил свою работу с коловратками и обнаружил, что когда он возвращал высушенные тела в их предпочтительные водные условия, они снова принимали свою первоначальную форму и начинали плавать. ^[5] Эти наблюдения не получили поддержки у микробиологического сообщества того времени, и явление, которое наблюдал Левенгук, так и не получило названия. ^[5]

В 1743 году Джон Тербервиль Нидхэм наблюдал возрождение инкапсулированной личиночной стадии паразита пшеницы, Anguillulina tritici , и позднее опубликовал эти результаты в New Microscopal Discoveries (1745). ^[5] Несколько других повторили и расширили эту работу, неформально ссылаясь на свои исследования «феномена возрождения». ^[5]

В конце 1850-х годов возрождение было втянуто в дебаты вокруг теории спонтанного зарождения жизни, что привело к тому, что два высоко заинтересованных ученых по обе стороны вопроса обратились в Биологическое общество Франции с просьбой провести независимую проверку их противоположных выводов по этому вопросу. Дойер, который считал, что коловраток можно высушить и оживить, и Пуше, который считал, что это невозможно, позволили независимым наблюдателям с различным научным опытом наблюдать и пытаться повторить их выводы. Полученный отчет склонялся к аргументам, высказанным Пуше, с заметным разногласием с основным автором, который обвинил его постановку вопроса в отчете в страхе религиозного возмездия. Несмотря на попытку Дойера и Пуше завершить дебаты по теме воскрешения, исследования продолжались. ^[5]

В 1872 году Вильгельм Прейер ввел термин « анабиоз » (возвращение к жизни) для описания оживления жизнеспособных, безжизненных организмов до активного состояния. За этим быстро последовало предложение Шмидта в 1948 году термина «абиоз», что привело к некоторой путанице между терминами, описывающими начало жизни из неживых элементов, жизнеспособную безжизненность и неживые компоненты, необходимые для жизни. ^[5]

В рамках своего обзора 1959 года оригинальных открытий Левенгука и развития науки, изучающей микробные цисты и другие формы метаболической суспензии, Д. Кейлин предложил термин « криптобиоз » (скрытая жизнь) для описания:

«...состояние организма, когда он не проявляет видимых признаков жизни и когда его метаболическая активность становится едва измеримой или обратимо останавливается». ^[5]

Поскольку микробные исследования начали набирать популярность в геометрической прогрессии, подробности о физиологии реснитчатых простейших и образовании цист привели к возросшему любопытству о роли инцистирования в жизненном цикле инфузорий и других микробов. ^[6] Осознание того, что ни одна категория микроскопических организмов «не владеет» способностью образовывать метаболически спящие цисты, требует термина «микробная циста» для описания физического объекта, существующего во всех его формах. Также важным в образовании термина является разграничение эндоспор и микробных цист как различных форм криптобиоза или покоя. Эндоспоры демонстрируют более экстремальную изоляцию от своей окружающей среды с точки зрения толщины клеточной стенки, непроницаемости для субстратов и присутствия дипиколиновой кислоты , соединения, которое, как известно, придает устойчивость к экстремальным температурам. ^[7] Микробные цисты были уподоблены модифицированным вегетативным клеткам с добавлением специализированной капсулы. ^[7] Важно отметить, что инцистирование — это процесс, который, как наблюдалось, предшествует делению клеток, ^[8] тогда как образование эндоспоры включает нерепродуктивное клеточное деление. Изучение процесса инцистирования в основном ограничивалось 1970-ми и 80-ми годами, что привело к отсутствию понимания генетических механизмов и дополнительных определяющих характеристик, хотя обычно считается, что они следуют другой последовательности формирования, чем эндоспоры. ^[9]

Показатели образования цист у реснитчатых простейших включают в себя различные степени резорбции ресничных, при этом некоторые ресничные теряют как реснички, так и мембранные структуры, поддерживающие их, в то время как другие сохраняют кинетосомы и/или микротрубчатые структуры. Синтез de novo предшественников стенки цисты в эндоплазматическом ретикулуме также часто указывает на то, что ресничное проходит инцистирование. ^[10]

Состав стенки цисты у разных организмов различен.

• Стенки цист бактерий образуются путем утолщения нормальной клеточной стенки с добавлением слоев пептидогликана .
• Стенки цист простейших состоят из хитина ^[11] , разновидности гликополимера .
• Стенка цисты некоторых реснитчатых простейших состоит из четырех слоев: эктоцисты, мезоцисты, эндоцисты и зернистого слоя. Эктоциста является внешним слоем и содержит пробкообразную структуру, через которую вегетативная клетка повторно выходит во время эксцистирования. Внутри эктоцисты толстая мезоциста компактна, но стратифицирована по плотности. Обработка хитиназой указывает на присутствие хитина в мезоцисте некоторых видов инфузорий, но эта композиционная характеристика, по-видимому, весьма неоднородна. Тонкая эндоциста, внутренняя по отношению к мезоцисте, менее плотная, чем эктоциста, и, как полагают, состоит из белков. Самый внутренний зернистый слой лежит непосредственно снаружи пелликулы и состоит из de novo синтезированных предшественников зернистого материала. ^[10]

У бактерий (например, Azotobacter sp. ) инцистирование происходит за счет изменений в клеточной стенке ; цитоплазма сокращается, а клеточная стенка утолщается. Было показано, что различные члены семейства Azotobacteraceae выживают в инцистированной форме до 24 лет. Было обнаружено, что экстремофильная Rhodospirillum centenum , аноксигенная, фотосинтетическая, азотфиксирующая бактерия, которая растет в горячих источниках, также образует цисты в ответ на высыхание. ^[12] Бактерии не всегда образуют одну цисту. Известны различные случаи образования цист. Rhodospirillum centenum может изменять количество цист на клетку, обычно в пределах от четырех до десяти клеток на цисту в зависимости от окружающей среды. ^[12]

Известно, что некоторые виды нитчатых цианобактерий образуют гетероцисты , чтобы избежать уровней концентрации кислорода, пагубных для их процессов фиксации азота . Этот процесс отличается от других типов микробных цист тем, что гетероцисты часто производятся в повторяющемся порядке внутри нити, состоящей из нескольких вегетативных клеток, и после формирования гетероцисты не могут вернуться в вегетативное состояние. ^[13]

Протисты, особенно простейшие паразиты, часто подвергаются воздействию очень суровых условий на разных стадиях своего жизненного цикла. Например, Entamoeba histolytica , распространенный кишечный паразит, вызывающий дизентерию , должен выдержать сильнокислую среду желудка, прежде чем он достигнет кишечника, а также различные непредсказуемые условия, такие как высыхание и недостаток питательных веществ, пока он находится вне хозяина. ^[14] Инцистированная форма хорошо подходит для выживания в таких экстремальных условиях, хотя простейшие цисты менее устойчивы к неблагоприятным условиям по сравнению с бактериальными цистами. ^[3] Цитоплазматическая дегидратация, высокая аутофагическая активность, ядерная конденсация и уменьшение объема клеток являются показателями начала инцистирования у реснитчатых простейших. ^[10] Помимо выживания, химический состав некоторых стенок простейших цист может играть роль в их распространении. Сиалиловые группы , присутствующие в стенке цисты Entamoeba histolytica, придают цисте отрицательный заряд, что предотвращает ее прикрепление к стенке кишечника ^[11] , тем самым вызывая ее выведение с калом. Другие простейшие кишечные паразиты, такие как Giardia lamblia и Cryptosporidium, также производят цисты как часть своего жизненного цикла (см. ооциста ). Из-за твердой внешней оболочки цисты Cryptosporidium и Giardia устойчивы к обычным дезинфицирующим средствам, используемым на водоочистных сооружениях, таким как хлор. ^[15] У некоторых простейших одноклеточный организм размножается во время или после инцистирования и выделяет несколько трофозоитов при эксцистировании. ^[14]

Было показано, что многие другие виды простейших демонстрируют инцистирование при столкновении с неблагоприятными условиями окружающей среды. ^[10]

Коловратки также производят диапаузирующие цисты, которые отличаются от покоящихся (вызванных окружающей средой) цист тем, что процесс их образования начинается до того, как условия окружающей среды ухудшатся до неблагоприятных уровней, и состояние покоя может продолжаться после восстановления идеальных условий для микробной жизни. ^{[16] [17]} Самки некоторых штаммов Synchaeta pectinata с ограниченным питанием производят неоплодотворенные диапаузирующие яйца с более толстой оболочкой. Оплодотворенные диапаузирующие яйца могут производиться как в условиях ограниченного питания, так и в условиях отсутствия питания, что свидетельствует о механизме хеджирования ставок на доступность пищи или, возможно, об адаптации к изменению уровня пищи в течение вегетационного периода. ^[18]

Хотя сам компонент цисты не является патогенным, образование цисты — это то, что дает Giardia ее основной инструмент выживания и способность распространяться от хозяина к хозяину. Употребление загрязненной воды, продуктов питания или фекалий приводит к наиболее часто диагностируемому кишечному заболеванию — лямблиозу . ^[8]

В то время как ранее считалось, что инцистирование служит только цели для самого организма, было обнаружено, что цисты простейших имеют эффект укрытия. Распространенные патогенные бактерии также могут быть обнаружены в цистах свободноживущих простейших. Время выживания бактерий в этих цистах варьируется от нескольких дней до нескольких месяцев в суровых условиях. ^[19] Не все бактерии гарантированно выживают в цистообразующем образовании простейшего; многие виды бактерий перевариваются простейшим, когда он подвергается цистному росту. ^[20]

• Криптобиоз
• Спора (у бактерий, грибов и водорослей)
  • Эндоспора (у фирмикутных бактерий)
  • Покоящаяся спора (у грибов)
• Трофозоит