Bacteriespore

Kenmerken van een bacteriespore
Hoe is een spore te zien?
Wanneer wordt een spore gevormd?
Hoe gaat de sporenvorming in zijn werk?en Waarom zijn sporen zo hitteresistent?
De ontkieming van sporen.
De betekenis van sporevormers in de praktijk
Enkele beruchte sporevormers.

Kenmerken van een bacteriespore
Bij de bacteriesoorten van de geslachten Bacillus en Clostridium kan in de cel een zogenaamde endospore gevormd worden. Dit is een overlevingsstructuur voor de cel, in de spore wordt het erfelijk materiaal opgeslagen, er wordt een omhulsel gevormd en de oude cel gaat ten gronde.
Deze spore verkeert hierna in een soort rusttoestand, hij heeft geen normale celstofwisseling of celdeling.
Kenmerkend is het vermogen van een dergelijke spore om ongunstige omstandigheden te overleven . Omstandigheden die een normale cel niet overleeft zoals droogte, een lage of hoge pH, straling en de aanwezigheid van chemicaliën zoals desinfectie middelen maar ook zeer hoge temperaturen,worden door een spore weerstaan.
Dit maakt het steriliseren zo lastig, zonder sporen zou je door koken een vloeistof steriel kunnen krijgen nu moet je boven de 100 °C (in autoclaaf) verhitten.
Endosporen kunnen zeer lange tijd blijven bestaan (duizenden) jaren, en onder gunstige omstandigheden (vaak binnen een uur) uitgroeien tot normale cellen (ontkiemen). Een bacteriespore is dus een overlevingsstructuur en niet bedoeld om meer cellen (vermenigvuldiging) te krijgen. dit gebeurt door deling van de "normale"bacteriecel, zie bacteriegroei.

Hoe is een spore te zien?
Bacteriesporen zijn zo groot dat ze onder het microscoop te zien zijn. Wel moet er een contrast met de omgeving aanwezig zijn. Vaak zijn ze zichtbaar als een lichte, 'lege' plek in een gekleurd preparaat. Oorzaak hiervan is dat de moedercel wel kleurstof opneemt tijdens de kleuring maar de spore niet. Zo krijgen we een negatief beeld van de spore.
Is er geen moedercel meer aanwezig dan moeten we onze toevlucht nemen tot een methode die de losse spore doet afsteken tegen de achtergrond.
Dit kan door een nat (dekglaspreparaat) te maken en dit te bekijken met behulp van de fase-contrastmicroscoop, we zien de sporen dan als sterk lichtbrekende bolletjes.


Een andere meer bewerkelijke methode is een speciale sporenkleuring waarbij een geschikte groenekleurstof door verhitting in de cel gebracht wordt. Na spoelen blijft blijft deze kleurstof in de spore en verdwijnt uit de eventueel nog aanwezige moedercel. Deze moedercel kan dan met een contrasterende rode kleurstof nagekleurd worden :

Zie voor de praktijk ook het maken van preparaten en de microscoop


Wanneer vindt sporevorming plaats?
Als de snelste groei voorbij is en één of meerder voedings­stoffen opraken. De voedingsomstandigheden mogen echter ook niet uitgesproken slecht zijn. Ook de pH, de temperatuur en het zuurstofgehalte zijn kritisch voor de sporevorming. 

Hoe wordt een spore gevormd?
Tijdens het rijpingsproces wordt door de celmembraan een blaasje met een DNA molecuul en ribosomen afgesnoerd van de "moedercel", vervolgens stulpt de moedercel zich nog eens hier omheen en zorgt ervoor dat er een cel in een cel onstaat met een dubbele celmembraan, de prespore.Vervolgens wordt er water aan de prespore onttrokken en vormen zich een aantal beschermende sporewanden .

De eerste zit tussen de twee celmembranen in, een binnenwand, de zogenaamde cortex of schors welke uit een zeer dikke laag van een speciaal soort mucopeptide bestaat, deze laag biedt weerstand aan de zeer hoge druk die op de cel­membraan staat. Deze hoge druk wordt veroorzaakt door het lage watergehalte in de sporeprotoplast, door diffusie willen watermolecu­len naar binnen en heeft de sporeprotoplast de neiging om uit te gaan zetten, deze "uitzettende kracht" moet door de cortex tegengehouden worden. Het lage watergehalte is mede verantwoordelijk voor de hitteresistentie. Eiwitten gaan moeilijker kapot zonder water. Daar­naast zijn de eiwitten in het protoplasma "steviger" dus hittebe­stendiger gebouwd als in een normale cel.
Een tweede buitenste laag is de sporecoat welke uit een keratineachtig eiwit bestaat , deze coat is verantwoordelijk voor de resistentie tegen chemicaliën: desinfectiemiddelen, maar ook exo-enzymen van andere bacteriën in de omgeving (waardoor de spore niet voortijdig vergaat). Wanneer de sporecoat gevormd krijgt de cel zijn lichtbrekende eigenschappen.

Bij sommige bacterien wordt daarbuiten nog een dunne eiwitlaag gevormd, het exosporium.

De hitteresistentie ontstaat pas nadat de spore grote hoeveelheden dipicolinezuur (een stof die in normale cellen niet voorkomt) heeft gevormd en veel calciumionen heeft opgenomen.

De ontkieming van sporen

Activering
Pas gevormde sporen blijven in rusttoestand, ook wanneer ze in een omgeving gebracht worden welke optimaal is voor de ontkie­ming. Deze rusttoestand moet eerst opgeheven worden. Dit opheffen van de rusttoestand noemt men ook wel activeren, dit activeren kan door een hitteschok te geven, ook een lage pH kan activerend werken. Bekend is dat een langere tijd droog en koel bewaren ook activerend werkt. Geactiveerde sporen zijn nog wel resistent !
Ontkieming
Komen geactiveerde sporen in een gunstige omgeving terecht, dan kan ontkieming plaatsvinden. Dit kan in enkele minuten gebeurd zijn. Het proces vindt plaats binnen de sporecoat. Het is waar te nemen daardat de spore weer kleurstof op kan nemen, de sterke lichtbreking verdwijnt en de hitteresistentie gaat verloren. Calcium , dipicolinezuur en stukjes mucopeptide worden uirgescheiden. De schors wordt afgebroken, maar de sporecoat blijft. Voor deze ontkieming is een of andere chemi­sche prikkel (vaak een suiker) nodig. Wanneer de ontkieming  plaatsvindt in een omgeving zonder voldoende voedingsstoffen zal de spore in dit stadium blijven steken.
Uitgroei
Zijn alle voedingsstoffen wel aanwezig dan gaat het proces verder, er vindt DNA-, RNA-, en eiwitsynthese plaats, een celwand wordt gevormd waarbij de nieuw gevormde cel de sporecoat verlaat. Dit proces duurt 1 a 2 uur. Deze nieuw gevormde cel kan nu gewoon groeien en delen.

De betekenis van sporevormers in de praktijk
Het feit dat er bacteriën bestaan die endosporen vormen heeft voor de praktijk grote gevolgen. Zonder sporevormers zou het veel eenvoudiger zijn om een product bacterievrij te krijgen. Door even te koken  gaan vegetatieve cellen gewoon dood.
Zo'n milde verhitting, van 10 minuten bij 72ºC of 15 minuten bij 65ºC, waarbij alleen de meeste vegetatieve cellen, maar niet de sporen dood gaan noemt men pasteurisatie. Deze behandeling maakt een product langer houdbaar en de meeste ziekteverwekkende micro-organismen gaan dood. Echter niet Bacillus cereus!! en andere sporevormende bacteriën.
Wil men een langer houdbaar product dan zal men in de levens­middelenindustrie lang en bij hoge temperaturen moeten verhitten om de sporen te laten afsterven. Omdat dit temperaturen boven de 100ºC zijn, zijn hier autoclaven voor nodig. Deze hoge temperaturen zijn niet alleen schadelijk voor de sporen maar ook voor het te verhitten product, men zal daarom nooit langer verhitten dan noodzakelijk is om een veilig (geen ziekteveroorzakende micro-organismen) en houdbaar ( binnen een redelijke termijn geen bederf) product te krijgen. Dit houdt ook in dat in een product niet alle sporen gedood hoeven te worden, men richt zich dan op het onschadelijk maken van de ziekteverwekkende en bederf veroorzakende sporen. Ook kan het zijn dat er een product gemaakt wordt waarin sporen niet kunnen kiemen, men kan dan korter (en/of minder hoog) verhitten. 
Wil men alle sporen doden dan spreekt men van steriliseren,
Wil men een product zodanig verhitten dat er bij normale opslag geen bederf plaatsvindt dan is er sprake van appertiseren.
Bij het appertiseren is Clostridium botulinum het uitgangspunt. Deze bacterie mag niet meer voorkomen. Bacteriën met een hogere hitteresistentie , de zogenaamde ultra-thermoresistente micro-organismen kunnen dit proces het langst overleven. Bij normale opslagtemperaturen zullen deze (mits in niet te grote aantallen aanwezig) geen problemen opleveren.

Enkele bekende (beruchte) sporevormers
Onder de sporevormende bacteriën bevinden zich een aantal soorten die van bijzondere betekenis zijn in de microbiologie.
Deze horen tot het geslacht Bacillus, waarvan de soorten aeroob of facultatief anaeroob zijn en het geslacht Clostridium waarvan alle soorten anaeroob zijn. Door veranderde naamgeving zijn veel Bacillus soorten van naam veranderd. Bacteriesporen van beide geslachten komen wijd verspreid in de natuur voor, met name in de bodem. Veel plantaardige voedingsmiddelen als graan, rijst ,graan, kruiden maar ook gras en kuilvoer bevatten dan ook sporen. 
Hieronder volgen wat voorbeelden:

Bacillus anthracis
De miltvuurbacterie. Miltvuur is een ernstige ziekte.
In de natuur kwam de bacteriespore in de grond voor. Koeien en andere vee kregen de bacterie binnen bij het grazen. Wanneer een mens vlees eet van een besmet dier, kan het de miltvuurbacterie binnenkrijgen en ziek worden. Ook mensen die beroepshalve met dieren in contact komen liepen risico's. Tegenwoordig is de ziekte in Nederland uiterst zeldzaam, dankzij een streng hygienebeleid bij zieke dieren, (isolatie ziek/dood dier en verbranding).
Miltvuur of anthrax is ook bekend van de poederbrieven, waarbij de sporen als poeder in een envelop verstuurd werden naar het doelwit.

Bacillus cereus
Een bacterie die voedselvergiftiging veroorzaakt in rijst en zetmeelrijke producten als vla en pap. De bacterie kan een exotoxine vormen die zeer hittestabiel is ( bestand tegen 90 minuten 121ºC). Ook in gepasteuriseerde melk treft men deze bacterie aan. De laatste jaren vindt men steeds frequenter stammen die bij lage temperaturen (koelkasttemperaturen) nog kunnen groeien.

Bacillus thuringiensis
Veroorzaakt ziekte bij insectenlarven, en kan als insecticide in de landbouw gebruikt worden. De werkzame stof zit in een kristal dat naast de spore te zien is. Het gen verantwoordelijk voor de werkzame stof kan bij planten ingebouwd worden waardoor ze onvatbaar zijn voor bepaalde insecten.

Clostridium tetani
Anaerobe bacterie bekend door de ziekte tetanus (kaakklem) die kan ontstaan na een wondinfectie (na ongeval of dierenbeet), In Nederland wordt idereen in zijn jeugd ingeent, na een ongeval wordt indien nodig een herhalingsinjectie gegeven).

Clostridium difficile
Clostridium difficile is een bacterie die bij ongeveer 50% van de pasgeboren baby’s en 9% van de volwassenen in de darm voorkomt. Onder normale omstandigheden veroorzaakt deze bacterie geen klachten. Clostridium difficile is dan een ‘onderdeel van’ de darmflora en krijgt geen kans om zich te vermenigvuldigen. Bij ziekte en/of antibioticumgebruik kan de Clostridium difficile zich echter gaat vermenigvuldigen en zoveel giftige stoffen produceren dat we er erg ziek van worden: Clostridium difficile associated diarrhoea (CDAD).

Clostridium perfringens
De sporen van deze bacterie komen wijd verspreid in de natuur voor: in stof, in het darmkanaal van mens en dier, en dus ook in de grond, in oppervlaktewater ,en aan de poten van vliegen. C.perfringens is anaëroob , maar bij lage zuurstofspanningen kan hij zich nog vermeerderen. Zijn er sporen van C.perfringens in voedsel aanwezig, dan worden deze bij koken van het voedsel niet gedood. De kans is aanwezig dat er juist een activatie van de sporen plaatsvindt. Als het voedsel vervolgens enige tijd lauw (beneden 60ºC) wordt gehouden dan kan ontkieming het gevolg zijn, waarna een snelle vermeerdering volgt. De bacteriën die zo in de darm belanden vormen daar weer sporen en tegelijk een enterotoxine met als symptomen voor de consument : misselijkheid, buikkrampen en een water­dunne diarree.

Clostridium botulinum
Het exotoxine dat deze strikt anaerobe bacterie vormt is giftig, één van de giftigste stoffen die er bestaan, gelukkig worden deze toxinen door verhitting onwerkzaam (enkele minuten 100 ºC of 20 minuten 80 ºC). Omdat de sporen overal in de bodem en in het water voorkomem en dus ook op de grondstoffen van veel levensmiddelen wordt in de conservenindustrie altijd zo lang verhit totdat de sporen van deze bacterie dood zijn.
Deze maatregel is zo effectief dat botulisme in industrieel bereide conserven niet meer voorkomt.

Clostridium tyrobutyricum
Deze bacterie is een lastpost bij de kaasbereiding. De bacterie vormt als hij de kans krijgt grote hoeveelheden boterzuur en gas in de kaas. Hierdoor vindt scheurvorming plaats in de kaas , het zogenaamde 'laat los' effect. De oorzaak is een teveel aan sporen in de melk. Dit wordt weer veroorzaakt door groei van de bacterie in het kuilvoer.

Paenibacillus larvae is een bacterie uit de familie Paenibacillaceae en veroorzaakt de gevreesde ziekte Amerikaans vuilbroed bij de honingbij.

Paenibacillus lentimorbus en Paenibacillus popilliae zijn ook ziekteverwekkers bij insecten.

Alicyclobacillus kan groeien bij een lage pH (in tegenstelling tot de meeste Bacillus- en Clostridiumsoorten) en kan de pasteurisatie van vruchtensap overleven om vervolgens bederf te veroorzaken. Veel andere sporevormers kunnen niet bij een lage pH overleven.

Een overzicht over aerobe sproevormende bacterien (Engelstalig met veel afbeeldingen) vind je hier.