Electron microscopical observations on bacterial cytology II. A study of flagellation

The electron-microscopical study has been undertaken and at variance with Pijper 's theory it has been found that mobility of a bacterium is not an essential condition for flagella formation, which warrants the conclusion that elementary flagellation represent definite organs of the bacteria and may well be applied in the diagnosis of bacterial species and in their classification.

Abstract

An electron-microscopical study has been undertaken in the hope of arriving at a final solution of some basic problems concerning bacterial flagellation. 1. The question whether in the bacterial kingdom definite types of flagellation exist has of late become a subject of controversy, and a decision in this matter may be deemed most desirable with a view to the general application of this characteristic in bacterial classification. Ample evidence has been obtained that, next to the already often clearly demonstrated cases of cephalotrichy in certain bacterial species, also true peritrichy undoubtedly exists. In addition a new type of flagellation has been encountered in which certain aspects of cephalotrichy and peritrichy are combined. 2. A study of the genesis of flagella led to the conclusion that they grow out individually. A comparison of the flagella on bacteria in cultures of different age left no doubt that they gradually increase both in length and in number. This result is incompatible with Pijper's theory according to which elementary flagella represent secondary products of an irreversible untwisting of a mucous tail. In preparations of Bacillus mesentericus it was even possible to differentiate clearly between flagella having a distinct linear structure and simultaneously present amorphous slime. 3. In connection with the occurrence of "tails" on fast moving bacteria, as observed in the darkfield of the light microscope, attention has been given to the question whether the elementary flagella tend to agglomerate to bundles. Several instances of such a bundle formation have been encountered which are suggestive of the existence of a mutual affinity between the individual flagella. 4. At variance with Pijper's theory it has been found that mobility of a bacterium is not an essential condition for flagella formation. Firstly flagella were demonstrated on cells grown on a collodion membrane under conditions which did not allow swimming of the cells, and secondly in the case of a Caulobacter species flagella were found to have developed in the sessile stage of this bacterium. 5. Following a suggestion of C. F. Robinow a study was made of the flagellation of swarmer cells of Proteus vulgaris after subjecting them to autolysis. The remarkable observation was made that in this bacterium flagella arise from little spheres of about 100 mμ diameter which evidently under normal conditions are embedded in the protoplasm. 6. The foregoing warrants the conclusion that elementary flagella represent definite organs of the bacteria and may therefore well be applied in the diagnosis of bacterial species and in their classification. 7. In the Appendix filamentous appendages of bacterial cells are described which can occur in some species and which are easily distinguishable from flagella. When in these species cells are attached to a surface, be it the surface of the medium or of a solid substance, filaments are seen to radiate from these cells. Nous avons entrepris une étude au microscope électronique afin d'obtenir une solution définitive de certains problèmes fondamentaux concernant la flagellation chez les bactéries. 1. L'existence chez les bactéries de types définis de flagellation est devenue, ces derniers temps, un sujet de controverses et une décision dans cette matière semble trés désirable afin de permettre l'application de la flagellation comme caractéristique dans la classification bactérienne. Nous avons obtenu plusieurs preuves de l'existence chez certaines espèces bactériennes de péritrichie vraie à côté de la céphalotrichie qui a déjà été clairement démontrée plusieurs fois. De plus, nous avons rencontré un nouveau type de flagellation dans lequel certains aspects de la céphalotrichie et de la péritrichie sont combinés. 2. Une étude de la genése des flagelles nous a amenés à la conclusion qu'ils se développent individuellement. Une comparaison des flagelles de bactéries dans des cultures d'âge différent ne laisse aucun doute sur le fait qu'ils augmentent graduellement en longueur et en nombre. Le résultat est incompatible avec la théorie de Pijper selon laquelle les flagelles élémentaires représenteraient des produits secondaires d'une "queue" muqueuse qui se défait de façon irréversible. Il nous a même été possible de différencier clairement, dans des préparations de Bacillus mesentericus, des flagelles de structure linéaire distincte et un mucus amorphe présent simultanément. 3. L'apparition de "queues" sur des bactéries à mouvement rapide observée dans le champ obscure du microscope optique a attiré notre attention sur la question si les flagelles élémentaires ont la tendance de s'agglomérer en faisseaux. Nous avons rencontré plusieurs exemples d'une telle formation de faisceaux. Elle suggère l'existence d'une affinité mutuelle entre les flagelles individuels. 4. En désaccord avec la théorie de PIJPER nous avons trouvé que la mobilité d'une bactérie n'est pas toujours une condition essentielle de la formation de flagelles. En premier lieu, des flagelles ont été démontrés sur des cellules croissant sur une membrane de collodion dans des conditions qui ne permettent pas aux cellules de nager, en second lieu, nous avons trouvé dans le cas de Caulobacter spec. que des flagelles s'étaient développés dans la phase sessile de la bactérie. 5. Sur l'instigation de C. F. Robinow nous avons entrepis l'étude de la flagellation chez les cellules de Proteus vulgaris soumises à l'autolyse. Il est remarquable que dans cette bactérie les flagelles aboutissent à de petites sphères d'environ 100 mμ de diamétre qui, dans des conditions normales, se trouvent évidemment enfoncées dans le protoplasme. 6. Les faits susnommés permettent de conclure que les flagelles élémentaires représentent des organes définis des bactéries et peuvent donc servir à la diagnose et à la classification des espèces bactériennes. 7. Dans un supplement nous décrivons des appendinces de cellules bactériennes rencontrés dans certaines espèces et que l'on distingue facilement des flagelles. Si des cellules de ces espéces sont attachées à la surface du milieu nutritif ou d'une substance solide on voit des filaments rayonner de ces cellules. Eine elektronenmikroskopische Untersuchung wurde in der Hoffnung unternommen für einige grundlegende, die Geisselbildung bei den Bakterien betreffende Probleme eine endgültige Lösung zu finden. 1. In letzter Zeit ist die Existenz verschiedener Arten von Geisselbildung im Bakterienreiche viel bestritten worden und eine Enstscheidung dieser Frage wäre sehr erwünscht. Sie würde die Anwendung der Geisselbildung als Merkmal bei der Klassifikation der Bakterien ermöglichen. Wir fanden zahlreiche Hinweise auf wahre Peritrichie bei einzelnen Bakterienarten, neben der schon früher in vielen Fällen bewiesenen Cephalotrichie. Ausserdem fanden wir einen neuen Typ von Geisselbildung der gewisse Aspekte der Cephalotrichie und der Peritrichie vereinigt. 2. Eine Untersuchung der Geisselbildung führte zu dem Schluss, dass diese einzeln wachsen. Ein Vergleich der Geisseln von Bakterienkulturen verschiedenen Alters liess keinen Zweifel darüber, dass sie allmählich an Länge und Zahl zunehmen. Dieses Ergebnis ist unvereinbar mit der Theorie von Pijper, nach der die einzelnen Geisseln Nebenprodukte einer irreversibelen Umbildung eines Schleimanhanges seien. Es war sogar möglich, in Präparaten von Bacillus mesentericus zwischen Geisseln mit deutlich linearer Struktur und einem gleichzeitig auftretenden amorphen Schleim zu unterscheiden. 3. Im Anschluss an die Beobachtung von "Schwänzen" an rasch sich bewegenden Bakterien im Dunkelfeld des Mikroskops wurde untersucht, ob die einzelnen Geisseln zur Vereinigung in Bündeln neigen. In der Tat wurde eine derartige Bündelbildung mehrmals beobachtet. Sie weist auf eine gegenseitige Affinität der Geisseln hin. 4. Abweichend von der Pijperschen Theorie fanden wir, dass Beweglichkeit einer Bakterie keine notwendige Bedingung der Geisselbildung darstellt. Erstens beobachteten wir Geisseln an Zellen, die unter Bedingungen welche kein Schwimmen erlauben auf einer Kollodiummembrane wuchsen und zweitens fanden wir Geisseln die sich bei Caulobacter spec. im ruhenden Stadium entwickelt hatten. 5. Einer Anregung von C. F. Robinow folgend, untersuchten wir autolysierte Schwärmerzellen von Proteus vulgaris. Bemerkenswerter Weise wachsen hier die Geisseln aus kleinen Kugeln von ungefähr 100 mμ Durschmesser heraus, die offensichtlich unter normalen Bedingungen in das Protoplasma versenkt sind. 6. Die obenerwähnten Tatsachen erlauben den Schluss, dass die Geisseln bestimmte Organe der Bakterien darstellen und deshalb zur Diagnose und Klassifikation der Bakterienarten verwendet werden können. 7. Im Appendix werden fadenförmige Fortsätze der Bakterienzelle beschrieben, die in einigen Arten vorkommen und leicht von den Geisseln unterschieden werden können. Wenn in diesen Arten Zellen an der Oberfläche des Mediums oder einer festen Substanz haften, dann strahlen Fäden von diesen Zellen aus.