Computermodeller afslører den bedste måde at dræbe dødelige bakterier på

Bakterie, forvandlet til sovende sporer, kan overleve millioner af år i ekstreme miljøer, truer menneskeliv i form af madforgiftning og det biologiske våben miltbrand. Men at forstå, hvordan bakterier tilpasser sig fjendtlige miljøer, har stort set været et mysterium - indtil nu.

I en ny undersøgelse, USC Viterbi School of Engineering professorer Priya Vashishta, Rajiv K. Kalia og Aiichiro Nakano brugte computerbaserede modeller til at identificere mekanismer eller "strategier", der bruges af bakteriesporer til at undgå angreb fra ekstreme temperaturer, kemikalier og stråling.

Ved hjælp af komplekse matematiske teknikker til at undersøge sporer på molekylært niveau, holdet fastlagde også de optimale betingelser for at dræbe skadelige bakterier.

Vashishta, Kalia og Nakano har fælles aftaler med USC Viterbis afdeling for datalogi, Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science, og USC Dornsifes afdeling for fysik og astronomi.

"Forestil dig, at bakteriesporer er som et frø med en hård belægning, der bevarer DNA -maskineriet, "siger Vashishta, direktøren for USC's Collaboratory for Advanced Computing and Simulations.

Denne hårde belægning fungerer som en rustning, der beskytter sporen. I denne "frysetørrede, "næsten livløs tilstand, sporer venter på, at de rigtige betingelser blomstrer til skadelige bakterier.

Tidligere undersøgelser har vist, at sterilisering af våd varme kan ødelægge sygdomsfremkaldende bakterier, men de mekanismer, hvorved sporer dræbes ved denne behandling, var ikke blevet fuldstændigt afsløret.

Som sådan, optimering af teknikken og sikring af ødelæggelse af bakteriesporer med nogen grad af sikkerhed har været en udfordring for offentlige sundhedsmyndigheder og forsvarsagenturer.

Nedbrydning af bakteriel forsvar

Brug af røntgenkrystallografidata, forskerne bestemte først nøgleelementerne i en enkelt bakterie - vand, syre og en calciumion. Derefter, de brugte en supercomputer til at køre hundredtusinder af simuleringer, kontrol af syreprocenten vand og calcium, og så hvad der skete.

Simuleringerne afslørede, at afhængigt af vandkoncentration og temperatur, vandet inde i bakteriecellen opfører sig som enten fast, gel eller væske.

"Vores modeller viste, at sporer udfører et slags kemisk magisk trick for bevidst at fryse sig selv og immobilisere vandet i deres celler, "siger Nakano, som også har en aftale med USC's Institut for Biologiske Videnskaber.

"De frosne celler kan ikke forstyrres af nogen stråling eller kemisk proces, og det beskytter også DNA'et, så sporerne kan fortsætte med at reproducere sig. "

Ifølge forskernes modeller, en kombination af varme og fugt "optøer" vandet inde i cellen, returnere det til en flydende form. Uden denne beskyttende barriere, sporen ødelægges lettere.

Computermodellerne tillod også forskerne at bestemme den nøjagtige temperatur og vandbalance, der er nødvendig for at ødelægge bakterierne:mellem 90-95 grader Celcius med en vandkoncentration over 30 procent.

Disse indsigter kan bruges til at forhindre mikrobiel kontaminering på udstyr til forarbejdning af fødevarer og begrænse spredning af sygdom i tilfælde af et biologisk angreb. Og fordi processen er afhængig af fugtig varme frem for kemiske processer, bakterierne bør ikke være i stand til at udvikle resistens.

Papiret, med titlen "Gel -fase i hydreret calciumdipicolinat, "dukkede op i Anvendt fysik bogstaver .