bacteriën, omgezet in slapende sporen, kan miljoenen jaren overleven in extreme omgevingen, mensenlevens bedreigen in de vorm van voedselvergiftiging en het biologische wapen miltvuur. Maar begrijpen hoe bacteriën zich aanpassen aan vijandige omgevingen is tot nu toe grotendeels een mysterie gebleven.

In een nieuwe studie, USC Viterbi School of Engineering professoren Priya Vashishta, Rajiv K. Kalia en Aiichiro Nakano gebruikten computergebaseerde modellen om mechanismen of "strategieën" te identificeren die door bacteriesporen worden gebruikt om aanvallen door extreme temperaturen te ontwijken, chemicaliën en straling.

Met behulp van complexe wiskundige technieken om sporen op moleculair niveau te onderzoeken, het team bepaalde ook de optimale omstandigheden voor het doden van schadelijke bacteriën.

Vasishtha, Kalia en Nakano hebben gezamenlijke afspraken met de afdeling Computerwetenschappen van het USC Viterbi, de Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science, en de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van het USC Dornsife.

"Stel je voor dat bacteriesporen zijn als een zaadje met een harde coating die de DNA-machinerie in stand houdt, " zegt Vasishtha, de directeur van USC's Collaboratory for Advanced Computing and Simulations.

Deze harde coating fungeert als een pantser dat de sporen beschermt. In deze "gevriesdroogde, " bijna levenloze staat, de sporen wachten op de juiste omstandigheden om uit te groeien tot schadelijke bacteriën.

Eerdere studies hebben aangetoond dat sterilisatie met natte hitte ziekteverwekkende bacteriën kan vernietigen, maar de mechanismen waardoor sporen door deze behandeling worden gedood, waren niet volledig onthuld.

Als zodanig, het optimaliseren van de techniek en het verzekeren van de vernietiging van bacteriesporen met enige mate van zekerheid was een uitdaging voor de volksgezondheidsautoriteiten en defensie-instanties.

Bacteriële afweer afbreken

Met behulp van röntgenkristallografiegegevens, de onderzoekers bepaalden eerst de belangrijkste elementen van een enkele bacterie:water, zuur en een calciumion. Vervolgens, ze gebruikten een supercomputer om honderdduizenden simulaties uit te voeren, controle van het zuurpercentage, water en kalk, en keek wat er gebeurde.

Uit de simulaties bleek dat, afhankelijk van de waterconcentratie en temperatuur, het water in de bacteriecel gedraagt ​​zich als vast, gel of vloeistof.

"Onze modellen lieten zien dat de sporen een soort chemische magische truc uitvoeren om zichzelf opzettelijk te bevriezen en het water in hun cellen te immobiliseren, " zegt Nakano, die ook een afspraak heeft met de afdeling Biologische Wetenschappen van het USC.

"De bevroren cellen kunnen door geen enkele straling of chemisch proces worden verstoord en het beschermt ook het DNA, zodat de sporen zich kunnen blijven voortplanten."

Volgens de modellen van de onderzoekers een combinatie van warmte en vocht "ontdooit" het water in de cel, het terugbrengen naar een vloeibare vorm. Zonder deze beschermende barrière, de spore wordt gemakkelijker vernietigd.

De computermodellen lieten de onderzoekers ook toe om de exacte temperatuur en waterbalans te bepalen die nodig zijn om de bacteriën te vernietigen:tussen 90-95 graden Celsius met een waterconcentratie van meer dan 30 procent.

Deze inzichten kunnen worden gebruikt om microbiële besmetting op voedselverwerkingsapparatuur te voorkomen en de verspreiding van ziekten in het geval van een biologische aanval te beperken. En omdat het proces afhankelijk is van vochtige hitte in plaats van chemische processen, de bacterie mag geen resistentie kunnen ontwikkelen.

De krant, getiteld "Gelfase in gehydrateerd calciumdipicolinaat, " verscheen in Technische Natuurkunde Brieven .