Bakterie, omvandlas till vilande sporer, kan överleva miljontals år i extrema miljöer, hotar människoliv i form av matförgiftning och det biologiska vapnet mjältbrand. Men att förstå hur bakterier anpassar sig till fientliga miljöer har till stor del förblivit ett mysterium - fram till nu.

I en ny studie, USC Viterbi School of Engineering professorer Priya Vashishta, Rajiv K. Kalia och Aiichiro Nakano använde datorbaserade modeller för att identifiera mekanismer eller "strategier" som används av bakteriesporer för att undvika attacker från extrema temperaturer, kemikalier och strålning.

Använda komplexa matematiska tekniker för att undersöka sporer på molekylär nivå, teamet fastställde också de optimala förhållandena för att döda skadliga bakterier.

Vashishta, Kalia och Nakano har gemensamma möten med USC Viterbis avdelning för datavetenskap, Mork Family Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap, och USC Dornsifes institution för fysik och astronomi.

"Föreställ dig att bakteriesporer är som ett frö med en hård beläggning som bevarar DNA-maskineriet, " säger Vashishta, chef för USC:s Collaboratory for Advanced Computing and Simulations.

Denna hårda beläggning fungerar som en rustning som skyddar sporen. I denna "frystorkade, "nästan livlöst tillstånd, sporerna väntar på de rätta förhållandena för att blomma ut till skadliga bakterier.

Tidigare studier har visat att våt värmesterilisering kan förstöra sjukdomsframkallande bakterier, men mekanismerna varigenom sporer dödas genom denna behandling hade inte helt avslöjats.

Som sådan, att optimera tekniken och säkerställa förstörelsen av bakteriesporer med någon grad av säkerhet har varit en utmaning för folkhälsomyndigheter och försvarsmyndigheter.

Bryter ner bakteriellt försvar

Med hjälp av röntgenkristallografidata, forskarna bestämde först nyckelelementen i en enda bakterie - vatten, syra och en kalciumjon. Sedan, de använde en superdator för att köra hundratusentals simuleringar, kontrollera andelen syra, vatten och kalcium, och såg vad som hände.

Simuleringarna visade att beroende på vattenkoncentration och temperatur, vattnet inuti bakteriecellen beter sig som antingen fast, gel eller vätska.

"Våra modeller visade att sporerna utför ett slags kemiskt magiskt trick för att avsiktligt frysa sig själva och immobilisera vattnet i deras celler, säger Nakano, som också har ett möte med USC:s institution för biologiska vetenskaper.

"De frusna cellerna kan inte störas av någon strålning eller kemisk process och det skyddar också DNA, så att sporerna kan fortsätta att föröka sig."

Enligt forskarnas modeller, en kombination av värme och fukt "tinar" vattnet inuti cellen, återföra den till flytande form. Utan denna skyddsbarriär, sporen förstörs lättare.

Datormodellerna gjorde det också möjligt för forskarna att bestämma den exakta temperatur och vattenbalans som behövs för att förstöra bakterierna:mellan 90-95 grader Celsius med en vattenkoncentration över 30 procent.

Dessa insikter skulle kunna användas för att förhindra mikrobiell kontaminering på livsmedelsutrustning och begränsa spridningen av sjukdomar i händelse av en biologisk attack. Och eftersom processen bygger på fuktig värme snarare än kemiska processer, bakterierna borde inte kunna utveckla resistens.

Pappret, med titeln "Gelfas i hydratiserat kalciumdipicolinat, " framträdde i Bokstäver i tillämpad fysik .