Laseczka wąglika (łac. Bacillus anthracis) – gatunek dużej, Gram-dodatniej, tlenowej bakterii. Przyjmuje najczęściej kształt laseczki o średnich rozmiarach 1–1,5 × 3–10 μm. Charakterystyczną cechą tej bakterii jest tworzenie przetrwalnikowych spor, które umożliwiają jej przeżycie w niesprzyjających warunkach nawet przez dziesięciolecia. Laseczka wąglika jest czynnikiem etiologicznym wąglika, choroby dotykającej głównie zwierzęta, jednak okazjonalnie występującej również u ludzi. Może ona przyjmować postać skórną, żołądkowo-jelitową lub oddechową. W końcowym etapie którejkolwiek odmiany wąglika może również dojść do zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych czy śmierci.

Nazwa gatunku pochodzi od greckiego słowa άνθρακας (ánthrakas), oznaczającego węgiel co kojarzone było z charakterystycznym czarnym kolorem skórnych strupów towarzyszących skórnej odmianie wąglika. Laseczka wąglika jest jedynym obligatoryjnym patogenem w obrębie rodzaju Bacillus.

Ze względu na swoje chorobotwórcze cechy, bakteria ta w formie spor, wyjątkowo dobrze nadaje się do wykorzystania jako broń biologiczna zarówno w formie proszku jak i aerozolu. Taki rodzaj broni był rozwijany przez co najmniej pięć państwowych programów broni biologicznej – Wielkiej Brytanii, Japonii, Stanów Zjednoczonych, Rosji oraz Iraku. Również w innych krajach były podejmowane badania nad wykorzystaniem jej jako broni.

Odkrycie Laseczka wąglika została odkryta w 1876 roku przez Roberta Kocha. Prowadził on praktykę lekarską w Wolsztynie (ówczesnym niemieckim Wollstein) podczas której zajmował się badaniem wąglika. Niektóre pastwiska przeznaczone na wypas bydła były w tamtym czasie uważane za niebezpieczne, ze względu na wysoką śmiertelność na tę nieznaną wówczas chorobę. Badania Kocha wykazały obecność struktur w kształcie laseczki we krwi zwierząt dotkniętych chorobą. Odkrył on również, że choroba może być przenoszona poprzez transfuzję krwi od zwierząt chorych do zdrowych. Następnie przeprowadził szereg doświadczeń na zwierzętach, m.in. na myszach, świnkach morskich, królikach, psach, żabach i ptakach. Przenosił on krew od chorych zwierząt, wstrzykując ją zdrowym, co zawsze skutkowało pojawieniem się laseczkowatych struktur we krwi, węzłach chłonnych i śledzionie.

Kolejną obserwacją Kocha było zauważenie, że w optymalnych warunkach – w ciepłym, wilgotnym, natlenionym środowisku, bakterie będą rosły, wydłużały się i dzieliły tworząc podłużne filamenty. Z czasem w owych filamentach zaczynały pojawiać się z granule, które z czasem przekształcały się w kuliste twory. Po pewnym czasie filamenty zanikały i w ich miejscu pozostawały jedynie kuliste struktury, z których po wysuszeniu i ponownym umieszczeniu w wilgotnym środowisku odtwarzały się bakterie o pierwotnym, podłużnym kształcie. W istocie, zjawiskiem zaobserwowanym przez Kocha był proces sporulacji, wytwarzania przez bakterie odpornych na nieprzyjazne środowisko spor (przetrwalników), z których, w sprzyjających warunkach bakterie ponownie kiełkowały w klasyczną formę wegetatywną. Badania Roberta Kocha, skutkujące odkryciem Laseczki wąglika jako czynnika wywołującego wąglik, były pierwszym w historii powiązaniem konkretnego drobnoustroju z konkretną jednostką chorobową.

Charakterystyka Morfologia i fizjologia komórki mały|Wygląd kolonii Laseczki wąglika na podłożu agarowym z krwią|alt=Płytka petriego z czerwonym podłożem agarowym z dodatkiem owczej krwi, na którym wyrosły białe kolonie Laseczki wąglikaBakteria ta jest fakultatywnym anaerobem co oznacza, że jest w stanie żyć zarówno w środowisku tlenowym jak i beztlenowym. Naturalnym środowiskiem w jakim występuje jest gleba. Uważa się, że w środowisku zewnętrznym bakteria ta występuje głównie w formie przetrwalników i kiełkuje dopiero po znalezieniu się w organizmie gospodarza. Tak jak wszyscy przedstawiciele rodzaju Bacillus, w barwieniu metodą Grama wykazuje wynik dodatni. W obrębie swojego rodzaju jest lokowana w grupie Bacillus cereus razem z takimi gatunkami jak: B. cereus, B. thuringensis oraz B. mycoides. Pomimo bardzo dużego podobieństwa genetycznego i fenotypowego między tymi gatunkami, laseczka wąglika różni się od nich m.in. brakiem rzęski, produkcją otoczki, wrażliwością na penicyliny i brakiem aktywności hemolitycznej. Otoczka tej bakterii zbudowana jest z polimerycznie związanych cząsteczek kwasu D-glutaminowego i może być ona łatwo wykryta przy pomocy barwienia negatywowego z użyciem np. tuszu chińskiego i obserwacją w mikroskopie świetlnym.

Morfologia kolonii Laseczki wąglika hodowane na płytce z podłożem tworzą zazwyczaj długie łańcuchy. Z kolei, w zainfekowanych tkankach obserwowane są z reguły krótkie łańcuchy złożone z 2–3 komórek. Na ogół bakteria ta tworzy białawe, płaskie kolonie o nieregularnych brzegach mające na ogół 2–5 mm średnicy. W zależności od tego czy warunki będą sprzyjać formowaniu się otoczki, kolonie mogą mieć fakturę szorstką (bakterie bez otoczek) lub śluzowatą (bakterie otoczkujące). Bakterie te, na ogół są w łatwy sposób możliwe do wyizolowania z tkanek gospodarza, jednak izolacja z gleby może wymagać zastosowania podłóż selekcyjnych ze względu na obecność innych przedstawicieli rodzaju Bacillus wykazujących bardzo zbliżoną morfologię kolonii.

Produkcja spor alt=Zdjęcie przedstawia obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego na którym widoczne są powiększone, jajowate przetrwalniki Laseczki wąglika|mały|Spory Laseczki wąglika widziane na obrazie ze skaningowego mikroskopu elektronowego Spory laseczki wąglika to odwodnione komórki posiadające grubą ścianę komórkową oraz dodatkowe warstwy po wewnętrznej stronie błony komórkowej. Bakteria w takim stanie jest przeżyć przez dekady. Sporulacja następuje w momencie zaistnienia w środowisku niekorzystnych warunków, np. braku składników odżywczych. W organizmie gospodarza spory są formowane w momencie, kiedy tkanki zostaną wyeksponowane na środowisko zewnętrzne. Ponowna germinacja (odtworzenie form wegetatywnych ze spor) następuje dopiero po dostaniu się do sprzyjającego środowiska jak tkanki bądź krew kolejnego gospodarza. Sporulacja zachodzi najczęściej w ciągu 48 godzin i wymaga obecności tlenu w środowisku. Rozpoczyna się ona od asymetrycznego przedzielenia się komórki, w efekcie czego powstaje większy i mniejszy, zawierający materiał genetyczny, przedział. Następnie mniejszy z przedziałów ulega opłaszczeniu przez 3 warstwy: najbardziej wewnętrzny rdzeń zbudowany z peptydoglikanu, płaszcz zawierający kwas dipikolinowy, oraz egzosporium będące luźno przylegającą, baloniastą strukturą złożoną z wielu białek i glikoprotein. Po uformowaniu spory reszta komórki ulega lizie co skutkuje uwolnieniem przetrwalnika do środowiska. Obecność egzosporium jest cechą diagnostyczną, odróżniającą laseczkę wąglika od niektórych innych przedstawicieli rodzaju Bacillus, jak np. Bacillus subtilis. Dojrzałe, uśpione spory są odporne na niekorzystne warunki środowiska jak: wysoka lub niska temperatura, promieniowanie ultrafioletowe i jonizujące, zmiany ciśnienia oraz szereg związków chemicznych (w tym 95% etanol). Kiedy przetrwalniki znajdą się w środowisku wodnym o odpowiednich warunkach, kiełkują i rosną jako nowe komórki wegetatywne.

Genetyka Laseczka wąglika posiada pojedynczy, kolisty chromosom składający się z 5 227 293 par zasad. Posiada również dwa plazmidy: pXO1 oraz pXO2, będące kolistymi, dwuniciowymi cząsteczkami DNA występującymi poza chromosomem. +CechaChromosompXO1pXO2Rozmiar [pary zasad]5 227 293181 67794 829Liczba genów5 508217113Udział replikonów [%]84,377,176,2Średnia długość genu (nukleotydów)800645639Zawartość par G+C [%]35,432,533,0Operony rRNA1100Geny kodujące tRNA9500Geny kodujące sRNA (małe RNA)320Geny fagowe6200Geny transpozonowe18156Przerwane ramki odczytu3757Geny z przypisaną funkcją2 7626538Hipotetyczne geny konserwatywne1 2122219Geny o nieznanej funkcji65785Hipotetyczne geny87712251

Chorobotwórczość Czynniki wirulencji

Plazmidy W pełni wirulentny szczep laseczki wąglika posiada dwa duże plazmidy: pXO1 oraz pXO2, zawierające geny kodujące główne czynniki wirulencji: produkcję toksyny oraz formowanie się otoczki.

Plazmid pXO1 Plazmid pXO1 (182 kb) posiada 203 otwartych ramek odczytu w których zawarte są przede wszystkim geny kodujące strukturę białkowej toksyny: pagA (antygen ochronny), lef (czynnik letalny), cya (czynnik odpowiedzialny za tworzenie strupów) zlokalizowane na wyspie patogenności o wielkości 44,8 kb. Na wyspie patogenności zawarte są również geny: atxA oraz pagR kodujące odpowiednio białko AtxA oraz PagR regulujące produkcję toksyny i otoczki, a więc pośrednio wirulencję bakterii, gen kodujący adhezynę warstwy S – białko BslA, odpowiadające za adhezję bakterii do komórek ludzkich, trzygenowy operon gerX odpowiedzialny przypuszczalnie za kiełkowanie spor oraz gen kodujący topoizomerazę I (topA). Do tego na plazmidzie znajdują się geny enzymów takich jak resolwazy, integrazy, czy transpozazy, a także wiele ramek odczytu o niepoznanej dotąd funkcji, prawdopodobnie zaangażowanych w horyzontalny transfer genów.

Plazmid pXO2 Plazmid pXO2 (95 kb) posiada 85 przewidywanych ramek odczytu. Znajdują się na nim przede wszystkim zawiera geny capB, capC, oraz capA, które odpowiadają za syntezę otoczki z kwasu poli-γ-D-glutaminowego, gen dep odpowiedzialny za degradację otoczki oraz gen acpA będący genem regulatorowym. Niewiele wiadomo na temat pozostałych genów znajdujących się na tym plazmidzie.alt=Dwie komórki bakterii Laseczki wąglika z widocznymi otoczkami w formie białych przejaśnień wokół komórek na tle barwnika|mały|Otoczka Laseczki wąglika widoczna jako białe przejaśnienie wokół komórek

Otoczka Otoczka laseczki wąglika jest zbudowana z kwasu poli-γ-D-glutaminowego i uważa się ją za jeden z dwóch głównych czynników wirulencji. Przyczynia się ona do chorobotwórczości poprzez nadawanie zdolności do unikania immunologicznych mechanizmów obrony gospodarza oraz wywoływanie sepsy. Otoczka laseczki wąglika hamuje fagocytozę, a jej budowa sprawia, że jest bardzo słabo immunogenna.

Toksyny Toksyny laseczki wąglika odgrywają kluczową rolę w patogenezie wąglika. Poza laseczką wąglika podobne toksyny produkuje również Bordetella pertussis, czy Pseudomonas aeruginosa. Złożone są z trzech białek działających w kombinacjach podwójnych: antygenu ochronnego (PA, ang. protective antigen), ze względu na jego zdolność do wywoływania odpowiedzi immunologicznej gospodarza przeciwko wągliki; czynnika letalnego (LF, ang. lethal factor), który przypuszaczlnie należy do Zn2+-metaloproteinaz oraz czynnika odpowiedzialnego za tworzenie strupów (EF, ang. edema factor) będącego cyklazą adenylową zależną od kalmoduliny, której działanie indukuje zwiększanie wewnątrzkomórkowego poziomu cyklicznego AMP, co skutkuje wypływaniem płynów z komórek i tworzeniem się strupów. Czynnik PA oraz LF tworzą razem toksynę letalną (LeTx, ang. lethal toxin), która po dożylnej iniekcji wywołuje śmierć u zwierząt. Jest to efekt działania czynnika LF posiadającego zdolność do przerywania wiązań między większością izoform kinazy białkowej kinazy aktywowanej mitogenami – MAPKK/MAPK2 (ang. mitogen-activated protein kinase kinase), która odgrywa ważną rolę w aktywowaniu szlaku sygnałowego kinaz aktywowanych mitogenami (MAPK, ang. mitogen-activated protein kinase). Prowadzi to do śmierci makrofagów poprzez przerwanie szlaków zależnych od MAPK regulujących geny odpowiedzialne za przeżycie komórki oraz poprzez aktywację zależnych od proteasomów i inflamasomów szlaków prowadzących do przerwania wiązania w białku NALP1b co wiąże się z aktywacją kaspazy 1 odpowiedzialnej za apoptozę komórek. Drugą kombinacją białek są zestawione ze sobą czynniki PA oraz EF, które będą razem tworzyły toksynę odpowiedzialną za powstawanie strupów na skórze (EdTx, ang. edema toxin). Oddzielnie, żadne z wymienionych białek nie jest toksyczne. Wymienione toksyny reprezentują wyjątkowy rodzaj toksyn typu A-B.