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内生胞子は、バチルス門に属する一部の細菌によって生成される、休眠状態にある丈夫で非生殖的な構造です。[ 1 ] [ 2 ]「内生胞子」という名前は、胞子や種子のような形を連想させますが（endoは「内部」を意味します）、真の胞子（つまり、子孫ではない）ではありません。これは、細菌が自らを縮小できる、簡略化された休眠形態です。内生胞子の形成は通常、栄養不足によって引き起こされ、通常はグラム陽性細菌で起こります。内生胞子の形成では、細菌は細胞壁内で分裂し、片側がもう一方を包み込みます。[ 3 ]内生胞子によって、細菌は長期間、場合によっては数世紀にわたって休眠状態を維持できます。10,000年以上生存している胞子の報告は多数あり、数百万年前の胞子の復活が主張されています。約2500万年前の塩結晶中にバチルス・マリスモルトゥイの生存可能な胞子が報告されている。 [ 4 ] [ 5 ]環境がより好ましい状態になると、内生胞子は栄養状態に再活性化することができる。ほとんどの種類の細菌は内生胞子を形成できない。内生胞子を形成できる細菌種の例としては、バチルス・セレウス、バチルス・アントラシス、バチルス・チューリンゲンシス、クロストリジウム・ボツリヌム、クロストリジウム・テタニなどがある。[ 6 ]古細菌や真核生物では内生胞子の形成は起こらない。[ 7 ]
内生胞子は、細菌のDNA、リボソーム、および大量のジピコリン酸から構成されています。ジピコリン酸は胞子特有の化学物質であり、内生胞子が休眠状態を維持する能力に役立っていると考えられています。この化学物質は、胞子の乾燥重量の最大10%を占めます。[ 3 ]
内生胞子は栄養分がなくても生存できます。紫外線、乾燥、高温、極度の凍結、化学消毒剤にも耐性があります。耐熱性内生胞子は、チーズを煮沸した後のチーズ上での枯草菌の増殖を研究したフェルディナント・コーンによって初めて仮説として提唱されました。胞子が増殖の生殖メカニズムであるという彼の考えは、それまでの自然発生説に大きな打撃を与えました。天体物理学者のステイン・シグルドソンは、「地球上では4000万年前の生存可能な細菌胞子が発見されており、それらは放射線に対して非常に耐性があることがわかっています」と述べています。[ 8 ] 栄養細胞壁を破壊することで作用する一般的な抗菌剤は、内生胞子には影響を与えません。内生胞子は土壌や水中によく見られ、そこで長期間生存することができます。さまざまな微生物が「胞子」または「嚢胞」を形成するが、低G+Cグラム陽性細菌の内生胞子は、過酷な条件に対して最も耐性がある。[ 3 ]
細菌の中には、内生胞子ではなく外生胞子（微生物嚢胞とも呼ばれる）になるものがある。外生胞子と内生胞子は、一部の微生物に見られる2種類の「休眠」または休眠状態である。
細菌のライフサイクルには必ずしも胞子形成は含まれません。胞子形成は通常、細菌の生存を助けるために、不利な環境条件によって引き起こされます。内生胞子は生命の兆候を示さないため、 クリプトバイオティックと呼ばれます。内生胞子は無期限に生存能力を維持し、適切な条件下では栄養細胞に発芽することができます。内生胞子は、環境刺激によって発芽するまで何千年もの間生存してきました。内生胞子は、自然界で生成される最も耐久性のある細胞として特徴づけられています。[ 9 ]
細菌は内部で単一の内生胞子を生成する。胞子は、胞子外被を覆う外胞子膜と呼ばれる薄い被膜で覆われていることがある。リゾチームのような大きな毒性分子を排除するふるいのような働きをする胞子外被は、多くの毒性分子に対して耐性があり、発芽に関与する酵素も含まれている可能性がある。枯草菌の内生胞子では、胞子外被には70種類以上の外被タンパク質が含まれており、内層と外層に組織化されていると推定されている。[ 10 ]精製された枯草菌内生胞子のX線回折パターンは、規則的な周期構造を持つ成分の存在を示しており、門田と飯島は、それがケラチン様タンパク質から形成されている可能性があると推測した。[ 11 ]しかし、このグループは、その後の研究で、胞子外被タンパク質の構造はケラチンとは異なると結論付けた。[ 12 ] B. subtilis のゲノムが配列決定されたとき、ヒトケラチンのオルソログは検出されなかった。[ 13 ]皮質は胞子外皮の下にあり、ペプチドグリカンで構成されている。コア壁は皮質の下にあり、内生胞子の原形質またはコアを囲んでいる。コアには胞子染色体 DNA が含まれており、これはSASP (小型酸可溶性胞子タンパク質) として知られるクロマチン様タンパク質に包まれており、胞子 DNA を紫外線や熱から保護している。コアにはリボソームやその他の酵素などの通常の細胞構造も含まれているが、代謝活性はない。
内生胞子の乾燥重量の最大 20% は、DNA を安定化させると考えられているコア内のジピコリン酸カルシウムで構成されています。ジピコリン酸は胞子の耐熱性に関与している可能性があり、カルシウムは熱や酸化剤に対する耐性に役立っている可能性があります。しかし、耐熱性はあるもののジピコリン酸を欠く変異体が分離されており、耐熱性に寄与する他のメカニズムも働いていることが示唆されています。[ 14 ]小さな酸可溶性タンパク質 (SASP) は内生胞子に見られます。これらのタンパク質は DNA に強く結合して凝縮し、紫外線や DNA 損傷化学物質に対する耐性に部分的に関与しています。[ 3 ]
光学顕微鏡で内生胞子を観察するのは、内生胞子壁が染料や染色剤を通さないため難しい場合があります。細菌細胞の他の部分は染色される可能性がありますが、内生胞子は無色のままです。この問題を解決するために、モーラー染色と呼ばれる特殊な染色法が用いられます。これにより、内生胞子は赤色に、細胞の他の部分は青色に染色されます。内生胞子の別の染色法としては、シェーファー・フルトン染色があり、内生胞子は緑色に、細菌体は赤色に染色されます。胞子層の配置は次のとおりです。
内生胞子の位置は細菌種によって異なり、同定に役立つ。細胞内の主な内生胞子の種類は、末端内生胞子、亜末端内生胞子、および中央内生胞子である。末端内生胞子は細胞の両極に位置し、中央内生胞子はほぼ中央に位置する。亜末端内生胞子はこれら両極の中間に位置し、通常は両極に近いが中央にも近いため、末端内生胞子とも中央内生胞子ともみなされない。側方内生胞子はまれに見られる。
末端に内生胞子を持つ細菌の例としては、破傷風の原因菌であるクロストリジウム・テタニが挙げられる。中央に内生胞子を持つ細菌の例としては、バチルス・セレウスが挙げられる。内生胞子が非常に大きい場合、細胞が内生胞子の周囲に膨張することがある。これはクロストリジウム・テタニに典型的に見られる。
飢餓状態、特に炭素源と窒素源が不足している状況下では、一部の細菌では胞子形成と呼ばれる過程を経て単一の内生胞子が形成される。[ 15 ]
細菌は環境条件が不利になりつつあることを感知すると、約 8 時間かかる内生胞子形成のプロセスを開始することがあります。DNA が複製され、胞子隔壁と呼ばれる膜壁が、DNAと細胞の残りの部分との間に形成され始めます。細胞の形質膜はこの壁を囲み、切り離されて DNA の周りに二重膜を残し、発達中の構造は前胞子と呼ばれます。この間に、ジピコリン酸のカルシウム塩であるジピコリン酸カルシウムが前胞子に取り込まれます。ジピコリン酸は、内生胞子内のタンパク質と DNA を安定させるのに役立ちます。[ 16 ] : 141次に、2 つの層の間にペプチドグリカン皮質が形成され、細菌は前胞子の外側に胞子コートを追加します。内生胞子形成の最終段階では、新しく形成された内生胞子は脱水され、成熟してから母細胞から放出されます。[ 3 ]皮質は、内生胞子が温度に対して非常に耐性がある理由です。皮質には、コアと呼ばれる内膜が含まれています。このコアを囲む内膜により、内生胞子は紫外線や通常微生物を破壊するような強い化学物質に対する耐性を持ちます。[ 3 ]胞子形成は完了し、周囲の栄養細胞が分解されると成熟した内生胞子が放出されます。
内生胞子は、通常であればそれらが形成された栄養細胞を死滅させるほとんどの薬剤に対して耐性があります。持続細胞とは異なり、内生胞子は環境中の栄養制限（飢餓）によって引き起こされる形態分化プロセスの結果です。内生胞子形成は、「飢餓」集団内のクオラムセンシングによって開始されます。 [ 16 ]： 141家庭用洗浄剤、アルコール、第四級アンモニウム化合物、洗剤などのほとんどの消毒剤は、内生胞子にはほとんど効果がありません。しかし、エチレンオキシド（ETO）や10%漂白剤などの滅菌アルキル化剤は、内生胞子に対して効果的です。ほとんどの炭疽菌胞子を殺すには、標準的な家庭用漂白剤（10%次亜塩素酸ナトリウムを含む）を少なくとも数分間胞子と接触させる必要があります。ごく少数の胞子は、このような溶液中で10分以上生存することができます。[ 17 ]漂白剤の濃度が高くても効果は向上せず、一部の種類の細菌が凝集して生き残る可能性があります。
内生胞子は熱や放射線に対して非常に強い耐性を持つが、焼却したり、水の沸点である100 ℃を超える温度でオートクレーブ処理したりすることで破壊することができる。内生胞子は100 ℃で数時間生存できるが、時間が長くなるほど生存数は少なくなる。内生胞子を間接的に破壊する方法としては、栄養細胞の状態に戻らせる環境に置く方法がある。適切な環境条件下では1～2日以内に発芽し、その後、内生胞子ほど丈夫ではない栄養細胞は容易に破壊できる。この間接的な方法はチンダル滅菌法と呼ばれ、安価なオートクレーブが導入される前の19世紀後半にはしばらくの間、一般的な方法であった。X線やガンマ線などの電離放射線に長時間さらすことでも、ほとんどの内生胞子は死滅する。
Geobacillus stearothermophilusなどの特定の種類の（通常は非病原性の）細菌の内生胞子は、オートクレーブ処理された物品が真に滅菌されたことを確認するためのプローブとして使用されます。胞子を含む小さなカプセルを物品と一緒にオートクレーブに入れます。サイクル後、カプセルの内容物を培養して、そこから何かが増殖するかどうかを確認します。何も増殖しなければ、胞子は破壊され、滅菌は成功したことになります。[ 18 ]
病院では、内視鏡などの繊細な侵襲性器具に付着した内生胞子は、低温で非腐食性の酸化エチレン滅菌器によって死滅します。酸化エチレンは、これらの器具でのアウトブレイクを阻止できる唯一の低温滅菌剤です。[ 19 ]一方、「高水準消毒」は内生胞子を死滅させませんが、無菌の体腔に入らない大腸内視鏡などの器具に使用されます。この後者の方法では、温水、酵素、洗剤のみを使用します。
細菌の芽胞は、抗生物質、ほとんどの消毒剤、放射線、煮沸、乾燥などの物理的因子に対して耐性があります。芽胞の外皮の不透過性が、芽胞の化学物質に対する耐性の原因と考えられています。芽胞の耐熱性は、さまざまな要因によるものです。
内生胞子の再活性化は、条件がより好ましい場合に起こり、活性化、発芽、および成長を伴います。内生胞子が豊富な栄養分の中にあっても、活性化が行われなければ発芽しない場合があります。これは、内生胞子を加熱することによって誘発されることがあります。発芽は、休眠状態の内生胞子が代謝活動を開始し、休眠状態から脱することを意味します。一般的に、胞子殻の破裂または吸収、内生胞子の膨張、代謝活動の増加、および環境ストレスに対する抵抗力の喪失によって特徴づけられます。
発芽に続いて起こる増殖過程では、内生胞子の中心部が新たな化学成分を生成し、古い胞子殻から出て、完全に機能する栄養型細菌細胞へと発達する。この栄養型細菌細胞は分裂してさらに多くの細胞を生成できる。
内生胞子は栄養細胞よりも5倍多くの硫黄を含んでいる。この過剰な硫黄は、アミノ酸であるシステインとして胞子殻に濃縮されている。休眠状態を維持する役割を担う高分子は、SS結合によって安定化されたシスチンを豊富に含むタンパク質殻を持つと考えられている。これらの結合が減少すると、三次構造が変化し、タンパク質がほどける可能性がある。このタンパク質の構造変化は、内生胞子の発芽に必要な活性酵素部位を露出させる原因であると考えられている。[ 20 ]
内生胞子は非常に長い間休眠状態を保つことができます。例えば、エジプトのファラオの墓から内生胞子が発見されています。適切な培地に入れ、適切な条件下では、再活性化することができました。1995年、カリフォルニア州立工科大学のラウル・カノは、ドミニカ共和国の木から採取された琥珀に閉じ込められた化石化したミツバチの腸から細菌胞子を発見しました。琥珀に化石化したミツバチは約2500万年前のものと推定されています。琥珀を割ってミツバチの腸から物質を取り出し、栄養培地に入れたところ、胞子が発芽しました。胞子を顕微鏡で分析した結果、細胞は今日ドミニカ共和国のミツバチに見られるLysinibacillus sphaericusと非常によく似ていることが判明しました。[ 16 ]
細胞分化の簡略化モデルとして、内生胞子形成の分子レベルの詳細は、特にモデル生物である枯草菌（Bacillus subtilis）において広範に研究されてきた。これらの研究は、遺伝子発現、転写因子、およびRNAポリメラーゼのシグマ因子サブユニットの制御に関する理解に大きく貢献してきた。
2001年の炭疽菌攻撃では、炭疽菌の芽胞が使用されました。汚染された郵便物から見つかった粉末は炭疽菌の芽胞でした。この意図的な配布により、22件の炭疽症例（吸入型11件、皮膚型11件）が確認されました。吸入型炭疽患者の致死率は45%（5/11）でした。吸入型炭疽の他の6人と皮膚型炭疽の患者は全員回復しました。抗生物質療法がなければ、この数はもっと多かったでしょう。[ 16 ]
胞子形成には遊離酸素の存在が必要である。自然界では、これは栄養サイクルが感染した宿主の低酸素環境内で起こり、宿主内では生物は栄養形態のみであることを意味する。宿主から出ると、空気への曝露によって胞子形成が始まり、環境中では胞子形態がほぼ唯一の段階となる。[ 21 ] [ 22 ]
枯草菌胞子は、組換えタンパク質の発現、特に微生物学、バイオテクノロジー、ワクチン接種の分野における基礎研究および応用研究のためのツールとしてペプチドやタンパク質の表面提示に有用である。[ 23 ]
内生胞子形成細菌の例としては、以下の属が挙げられる。