В новом исследовании профессора инженерной школы Университета Калифорнии в Витерби Прия Вашишта, Раджив К. Калия и Айитиро Накано использовали компьютерные модели для определения механизмов или «стратегий», используемых спорами бактерий для уклонения от атак экстремальных температур, химикатов и радиации.Используя сложные математические методы для исследования спор на молекулярном уровне, команда также определила оптимальные условия для уничтожения вредных бактерий.Вашишта, Калия и Накано имеют совместные назначения с Департаментом компьютерных наук Университета Южной Калифорнии в Витерби, Департаментом химического машиностроения и материаловедения Морк Фэмили и Департаментом физики и астрономии Университета Дорнсайф.«Представьте, что споры бактерий подобны семенам с твердым покрытием, сохраняющим механизмы ДНК», — говорит Вашишта, директор Collaboratory for Advanced Computing and Simulations USC.
Это твердое покрытие действует как броня, защищающая споры. В этом «лиофилизированном», почти безжизненном состоянии споры ждут подходящих условий, чтобы превратиться в вредные бактерии.
Более ранние исследования показали, что стерилизация влажным теплом может уничтожить болезнетворные бактерии, но механизмы, посредством которых споры погибают при такой обработке, не были полностью раскрыты.Таким образом, оптимизация технологии и обеспечение уничтожения спор бактерий с любой степенью уверенности было проблемой для органов общественного здравоохранения и оборонных ведомств.Нарушение бактериальной защитыИспользуя данные рентгеновской кристаллографии, исследователи впервые определили ключевые элементы одной бактерии — воду, кислоту и ион кальция.
Затем они использовали суперкомпьютер для запуска сотен тысяч симуляций, контролируя процентное содержание кислоты, воды и кальция, и наблюдали, что происходит.Моделирование показало, что в зависимости от концентрации воды и температуры вода внутри бактериальной клетки ведет себя как твердая, гелевая или жидкая.«Наши модели показали, что споры выполняют своего рода химический магический трюк, намеренно замораживая себя и обездвиживая воду в своих клетках», — говорит Накано, который также находится на приеме в Департаменте биологических наук USC.«Замороженные клетки не могут быть нарушены радиацией или химическими процессами, а также защищает ДНК, поэтому споры могут продолжать воспроизводиться».
Согласно моделям исследователей, сочетание тепла и влаги «размораживает» воду внутри клетки, возвращая ее в жидкую форму. Без этого защитного барьера споры легче разрушаются.Компьютерные модели также позволили исследователям определить точную температуру и водный баланс, необходимые для уничтожения бактерий: от 90 до 95 градусов по Цельсию при концентрации воды выше 30 процентов.
Эти идеи можно использовать для предотвращения микробного заражения оборудования для пищевой промышленности и ограничения распространения болезней в случае биологической атаки. А поскольку этот процесс основан на влажном тепле, а не на химических процессах, бактерии не должны иметь возможность выработать устойчивость.