Endosporalar — bakteriyalarning tinim (uyqu) holatidagi shakllari bo‘lib, ular boshlang‘ich bakteriya genomining ikki baravar bo‘linishi natijasida hosil bo‘lgan ikki qiz hujayraning muvofiqlashtirilgan differensiallashuvi (differentiation) jarayonida paydo bo‘ladi. Bunda qiz hujayralardan biri ikkinchisining sitoplazmasi (cytoplasm) ichiga kirib boradi va ikkinchi qiz hujayra tashqi qavatga aylanadi. Keyin tashqi qiz hujayra (ba’zan uni sporangiy deb ham atashadi) dasturlashtirilgan hujayra o‘limi (programmed cell death) orqali nobud bo‘ladi, ichkaridagi hujayra esa (prespora) haqiqiy endosporaga aylanib, maksimal fiziologik tinim holatiga kiradi; bu holatda spora ichidagi barcha fiziologik jarayonlar to‘xtaydi (giperanabioz — hyperanabiosis). Endospora atrof-muhitning noqulay sharoitlariga nihoyatda chidamli (rezistent) bo‘lib qoladi va uzoq vaqt davomida yashovchanligini saqlab qolishi mumkin.

Onalik hujayra bitta emas, ikkita endospora beradigan ikki holat tasvirlangan. Masalan, ayrim kemiruvchilarning oshqozon-ichak traktida yashaydigan, o‘stirib ko‘paytirib bo‘lmaydigan (nekultivatsiya qilinadigan) yirik arxeya Metabacterium polyspora (uzunligi 35 mkm) har bir sporangiyda to‘qqiztagacha endospora hosil qiladi. Yana bir gigant, o‘stirib ko‘paytirib bo‘lmaydigan bakteriya — Epulopiscium sp. (o‘lchami 60 × 300 mkm gacha yetishi mumkin) — tropik yakka shoxli baliq Naso tonganus tanasi ichida yashaydi va bitta sporangiyda ikkita endospora hosil qiladi.

Bacillus subtilis ning bo‘yalgan preparati. Vegetativ hujayralar qizil, sporalar ko‘kimtir.

Sporogen bakteriyalar

Endosporalarni firmikutlar (Firmicutes) tipiga mansub taxminan 25 ta urug‘ (rod) vakillari hosil qiladi: Bacillus, Clostridium, Dendrosporobacter, Desulfosporosinus, Desulfotomaculum, Halobacillus, Heliophilum, Oscillospira, Sporobacter, Sporobacterium, Sporohalobacter, Sporolactobacillus, Sporomusa, Sporosarcina, Sporotomaculum, Sulfobacillus, Thermoactinomyces va boshqalar. Mutlaq ko‘pchilik holatlarda sporogen bakteriyalar gram-musbat bo‘ladi, ammo istisnolar ham bor. Masalan, Sporomusa ovata va Heliophilum fasciatum gram-manfiy bakteriyalar qatoriga kiradi.

Endosporaning tuzilishi

Yetilgan endosporaning asosiy strukturaviy elementlari:

• sitoplazmatik bo‘lim, ya’ni yadro (core);
• qo‘shma hujayra devori: ichki devor va tashqi devordan iborat (tashqi qismi korteks — cortex);
• endosporaning sitoplazmatik membranasi (ichki membrana);
• sporangiyning sitoplazmatik membranasi (tashqi membrana);
• ichki va tashqi spora qoplamlari;
• tashqi qoplama — ekzosporiy (exosporium).

Endosporalarning onalik hujayra ichidagi joylashuvi turlicha bo‘lishi mumkin, va ayrim holatlarda spora hosil bo‘lish turi noma’lum kulturani aniqlashda ishlatiladi. Ba’zan shakllanayotgan endospora shunchalik kattalashadiki, sporangiy tanasini o‘rtasidan yoki uchlaridan bir tomoni bo‘ylab kengaytirib yuboradi.

Endospora kori xromosomani va translyatsiya (translation) apparati komponentlarining oz miqdorini saqlaydi: ribosomalar, tRNK, hamroh fermentlar va oqsil omillari. Bunda hujayraning beqaror komponentlari — masalan, mRNK va nukleozidtrifosfatlar — mavjud bo‘lmaydi, biroq ATF (ATP) ning barqaror o‘tmishdoshlari hisoblangan ADF (ADP) va AMF (AMP) zaxiralari bo‘ladi.

Endosporalarning joylashuvining turli turlari. 1, 4 — markaziy endospora; 2, 3, 5 — terminal (uchki) endospora; 6 — lateral (yon) endospora.

Endosporaning murakkab qoplama tizimi uni turli noqulay omillarga juda chidamli qiladi. Uning oqsilli qoplamlari korteksga peptidoglikanni parchalaydigan fermentlarning (masalan, lizotsim) kirishini to‘sadi va sporani xloroform kabi agressiv kimyoviy reagentlardan himoya qiladi. Sporangiy va spora membranalari kor atrofida “o‘tkazuvchanlik to‘sig‘i”ni hosil qilib, massasi 300 Da dan katta bo‘lgan gidrofil birikmalarning kor ichiga o‘tishiga yo‘l qo‘ymaydi. Bundan tashqari, korda suv miqdorining pastligi genom DNKning depurinatsiyasi (depurination) ga to‘sqinlik qiladi. Ikki valentli metall kationlari (avvalo kalsiy) sporangiyda sintezlanib, keyin kor ichiga yetkaziladigan dipikolin kislotasi (dipicolinic acid) molekulalari bilan xelatlanadi (chelation); bu DNK uchun qo‘shimcha himoya beradi. Ayrim bakteriyalar endosporalari korida DNK bilan bog‘lanadigan maxsus oqsillar bo‘lib, ular DNKni nafaqat depurinatsiyadan, balki shakar-fosfat “skeleti”ning buzilishidan ham himoya qiladi. Nihoyat, endosporaning unib chiqishi DNKda tinim davrida to‘plangan shikastlanishlarning kuchli reparatsiyasi (repair) bilan birga kechadi.

Sporulyatsiya

Spora hosil bo‘lish sikli boshqa ixtisoslashgan hujayralar hosil bo‘ladigan bo‘linishga qaraganda ancha uzoq davom etadi (37 °C da taxminan 7 soat). Bacillus subtilis da sporulyatsiya sikli 1960-yillarda fransuz olimasi Antuanetta Riter tomonidan taklif qilingan yetti bosqichdan (0—VII) iborat:

• 0-bosqich. Boshlang‘ich vegetativ hujayra.
• I-bosqich. Hozirda alohida bosqich sifatida ajratilmaydi: u aniq morfologik belgilarga ega emas, uni “o‘tolmaydigan” mutantlar ham noma’lum.
• II-bosqich uch etapga bo‘linadi. IIi etapda septatsiya yuz beradi: onalik hujayrada spora septasi hosil bo‘ladi va assimetrik binar bo‘linish sodir bo‘ladi; bunda turli kattalikdagi protoplastlar paydo bo‘ladi. IIii—IIiii etaplarda kattaroq protoplast kichikrog‘ini yuta boshlaydi.
• III-bosqich. Yutib olish yakunlanadi va kichik protoplast (prespora) kattaroq hujayra (sporangiy) sitoplazmasi ichida joylashadi.
• IV-bosqich. Presporani o‘rab turadigan modifikatsiyalangan hujayra devori — korteks sintezi ro‘y beradi.
• V-bosqich. Sporangiy sitoplazmasida kelajak endosporaning oqsilli qoplamlari to‘planadi.
• VI-bosqich. Morfologik jihatdan yaqqol ifodalanmagan; bu paytda endospora yetiladi: atrof-muhit omillariga chidamliligi ortadi, giperanabiozga kiradi va unib chiqishga qodir bo‘ladi.
• VII-bosqich. Sporangiy dasturlashtirilgan o‘limga uchraydi va qisman lizis (lysis) bo‘ladi; natijada yetilgan endospora tashqariga chiqadi.

Noyob spora septasi onalik hujayraning 1/4 va 3/4 qismida ikkita Z-halqaning simmetrik hosil bo‘lishi orqali shakllanadi. Ulardan biri SpoIIA oqsili ishtirokida tasodifiy tanlanadi, ikkinchisi esa parchalanadi. Keyin Z-halqasi sohasida, odatdagi bo‘linishdagidek, membrananing halqasimon invaginatsiyasi yuz beradi; keyinchalik u peptidoglikan bilan to‘ldiriladi. So‘ng peptidoglikan lizisga uchraydi va natijada “opa-singil” kompartimentlar faqat ikkita membrana bilan ajralgan holda qoladi. So‘nggi ma’lumotlarga ko‘ra, bo‘lajak endosporaning xromosomasi septa yopilgandan keyin kichik kompartimentga o‘tadi. Bu ko‘chirishni DNK-translokaza (DNA translocase) FtsK/SpoIIIE ta’minlaydi: u kompartimentlar membranalarida ikkita uzluksiz halqasimon geksamer (hexameric) kanal hosil qiladi, kanal oqsillarining C-uch domenlari esa jarayonni ATF (ATP) energiyasi bilan ta’minlaydi. Umuman olganda, kichik kompartimentning kattasi tomonidan yutilishi endozitoz (endocytosis) ga mos keladi (endozitoz bakteriyalarga odatda xos emas), biroq uning molekulyar mexanizmlari yetarlicha yaxshi o‘rganilmagan.

Laboratoriya sharoitida bakteriyalar sporulyatsiyani muhitda oson metabolizmga uchraydigan uglerod, azot yoki fosfor manbai tugaganda boshlaydi, ammo tabiiy yashash muhitida sporulyatsiyani ishga tushiruvchi signallar (triggerlar) noma’lum. Sporulyatsiya boshlanishidagi asosiy hodisa — Spo0A transkripsion faktorining avtofosforillanuvchi (autophosphorylating) proteinkinazalar yordamida fosforillanishi. Spo0A fosforillanishi uch yo‘l bilan ishga tushishi mumkin:

• hujayraning oksidlanish-qaytarilish va energetik holatini “sezadigan” KinA kinazasi orqali;
• hujayrada GDF (GDP) va GTF (GTP) darajasi pasayishi orqali (bu oziqa moddalari tanqisligidan dalolat beradi);
• kvorumni sezish (quorum sensing) bilan bog‘liq oqsillar orqali, ya’ni bakteriyalar populyatsiyasi ma’lum zichlikka yetganda.

Sporulyatsiyaga mos bo‘lmagan sharoitlarda fosforillangan Spo0A Spo0E fosfatazasi tomonidan defosforillanadi. Faol fosforillangan Spo0A sporulyatsiya regulyatorlari — SpoIIA, SpoIIE va SpoIIG — ning transkripsiyasini faollashtiradi. Fosforillangan Spo0A saqlovchi hujayralar Spo0A faol bo‘lmagan qo‘shni hujayralarni o‘ldiradigan oqsillarni ajratadi, so‘ng sporulyatsiya uchun ularning resurslaridan foydalanadi. Sporulyatsiyani ishga tushirishda σH sigma-faktor ham rol o‘ynaydi: u spoIIID va spoIIIM genlarini nazorat qiladi, ularning mahsulotlari spora septasining hosil bo‘lishida qatnashadi. Septa shakllangach, Spo0A faolligi sporangiyda ortadi, presporada esa kamayadi. Keyin presporada σF, sporangiyda esa σE faollashadi. Shuningdek, presporada σG sintezlanadi (u faqat yutib olish tugaganda faollashadi), sporangiyda esa spora hosil bo‘lishining yakuniy bosqichlarida σK sigma-faktor sintezlanadi. Prespora va sporangiy sigma-faktorlari birgalikda endospora shakllanishi uchun zarur genlar ekspressiyasini faollashtiradi.

Endospora hosil bo'lish sxemasi

Tinim holati va unib chiqish

Tinim holatidagi endospora giperanabioz va giperrezistentlik bilan tavsiflanadi. U metabolik faollik ko‘rsatmaydi, unda ATF (ATP) va atsetil-KoA (acetyl-CoA) kabi eng muhim metabolitlar bo‘lmaydi, tarkibidagi fermentlar faol emas. Giperanabioz holatida sporalar nihoyatda uzoq davr davomida yashovchan qolishi mumkin. Masalan, Sibir yarasi (antraks) endosporalari chorva ko‘miladigan joylarda 500 yilgacha, aktinomitsetlar sporasi esa 7500 yilgacha yashovchanligini saqlashi qayd etilgan. Shuningdek, Nyu-Meksikodagi osh tuzi kristallaridan ajratib olingan Bacillus sp. sporalarining 250 mln yil davomida yashovchan bo‘lgani haqida ma’lumotlar bor. Endosporalar yuqori va past harorat, qurib qolish, katta gidrostatik bosim, UV va γ-nurlanish, kuchli oksidlovchilar, yuqori kislotalilik va boshqa noqulay sharoitlar ta’sirida ham nobud bo‘lmaydi. Ba’zi bakteriyalar sporasi hatto bir soat va undan ortiq qaynatishga ham chidaydi, shuning uchun eritmalar va asboblar 121 °C gacha sterilizatsiya haroratiga ega avtoklavlarda sterilizatsiya qilinadi.

Qulay sharoitda endospora unib chiqadi: ya’ni sporangiydan chiqib, odatdagi vegetativ hujayraga aylanadi. Unib chiqish induktorlari fiziologik ham bo‘lishi mumkin (ayrim aminokislotalar va shakarlar, purin nukleozidlari va boshqa birikmalar yoki ularning aralashmalari), nofiziologik ham bo‘lishi mumkin (mineral tuzlar, ekzogen kalsiyning dipikolinati, lizotsim, kationli deterjentlar, subletal issiqlik shoki (sublethal heat shock), 100–600 MPa oralig‘idagi bosim). Unib chiqish induktor ta’siridan keyin bir necha soniya ichida boshlanadi va keyin jarayon induktorga bog‘liq bo‘lmay qoladi. Avval endosporadan protonlar, kaliy, natriy va sink ionlari, Ca2+ ionlari bilan xelatlangan dipikolin kislotasi chiqib ketadi, ichkariga suv kiradi. So‘ng maxsus fermentlar yordamida korteks peptidoglikani lizisga uchraydi, rehidratsiya davom etadi: kor shishadi va devor cho‘ziladi. Nihoyat, normal metabolizm va makromolekulalar biosintezi qayta tiklanadi.

Vizualizatsiya

Endosporalar ham yorug‘lik mikroskopi, ham elektron mikroskop yordamida yaxshi ko‘rinadi. Endosporalar ko‘plab bo‘yoqlar uchun o‘tkazmaydigan bo‘lgani sababli, ular bakteriya hujayrasining bo‘yalgan tarkibi fonida bo‘yalmagan tanachalar sifatida ko‘rinadi. Biroq sporalarni differensial bo‘yash (differential staining) usullari mavjud: bu usullar yordamida sporalar yorug‘lik mikroskopida pushti sitoplazma ichida ko‘k tanachalar ko‘rinishida namoyon bo‘ladi.