Bacterias transformado en esporas durmientes, puede sobrevivir millones de años en ambientes extremos, amenazando la vida humana en forma de intoxicación alimentaria y el arma biológica ántrax. Pero comprender cómo las bacterias se adaptan a entornos hostiles ha sido en gran parte un misterio, hasta ahora.

En un nuevo estudio, Profesores de la Escuela de Ingeniería de USC Viterbi Priya Vashishta, Rajiv K. Kalia y Aiichiro Nakano utilizaron modelos informáticos para identificar los mecanismos o "estrategias" que utilizan las esporas bacterianas para evadir el ataque de temperaturas extremas. productos químicos y radiación.

Usando técnicas matemáticas complejas para examinar las esporas a nivel molecular, el equipo también determinó las condiciones óptimas para matar bacterias dañinas.

Vashishta, Kalia y Nakano tienen citas conjuntas con el Departamento de Ciencias de la Computación de la USC Viterbi, el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Familia Mork, y el Departamento de Física y Astronomía de la USC Dornsife.

"Imagina que las esporas bacterianas son como una semilla con una capa dura que preserva la maquinaria del ADN, "dice Vashishta, el director del Colaboratorio de Computación Avanzada y Simulaciones de la USC.

Este recubrimiento duro actúa como una armadura que protege la espora. En este "liofilizado, "estado casi sin vida, las esporas esperan que las condiciones adecuadas se conviertan en bacterias dañinas.

Estudios anteriores han demostrado que la esterilización por calor húmedo puede destruir las bacterias que causan enfermedades, pero los mecanismos por los cuales las esporas son destruidas por este tratamiento no han sido completamente revelados.

Como tal, Optimizar la técnica y asegurar la destrucción de las esporas bacterianas con algún grado de certeza ha sido un desafío para las autoridades de salud pública y los organismos de defensa.

Romper las defensas bacterianas

Usando datos de cristalografía de rayos X, los investigadores primero determinaron los elementos clave de una sola bacteria:agua, ácido y un ion calcio. Luego, utilizaron una supercomputadora para ejecutar cientos de miles de simulaciones, controlando el porcentaje de ácido, agua y calcio, y vio lo que sucedió.

Las simulaciones revelaron que, dependiendo de la concentración del agua y la temperatura, el agua dentro de la célula bacteriana se comporta como un sólido, gel o líquido.

"Nuestros modelos mostraron que las esporas realizan una especie de truco de magia química para congelarse intencionalmente e inmovilizar el agua en sus células, "dice Nakano, quien también tiene una cita con el Departamento de Ciencias Biológicas de la USC.

"Las células congeladas no pueden ser perturbadas por ninguna radiación o proceso químico y también protege el ADN, para que las esporas puedan seguir reproduciéndose ".

Según los modelos de los investigadores, una combinación de calor y humedad "descongela" el agua dentro de la celda, devolviéndolo a una forma líquida. Sin esta barrera protectora, la espora se destruye más fácilmente.

Los modelos informáticos también permitieron a los investigadores determinar la temperatura exacta y el equilibrio hídrico necesarios para destruir la bacteria:entre 90 y 95 grados centígrados con una concentración de agua superior al 30 por ciento.

Estos conocimientos podrían utilizarse para prevenir la contaminación microbiana en los equipos de procesamiento de alimentos y limitar la propagación de enfermedades en caso de un ataque biológico. Y debido a que el proceso se basa en calor húmedo en lugar de procesos químicos, las bacterias no deberían poder desarrollar resistencia.

El papel, titulado "Fase de gel en dipicolinato de calcio hidratado, " apareció en Letras de física aplicada .