Бактерии, превратившиеся в спящие споры, могут выживать миллионы лет в экстремальных условиях, угрожая жизни человека в виде пищевого отравления и биологического оружия сибирской язвы. Но понимание того, как бактерии приспосабливаются к враждебной среде, до сих пор оставалось загадкой.
В новом исследовании профессора Школы инженерии USC Viterbi Priya Vashishta, Rajiv K. Калия и Аитиро Накано использовали компьютерные модели для определения механизмов или «стратегий», используемых бактериальными спорами для уклонения от воздействия экстремальных температур, химических веществ 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 сотрудничают с кафедрой компьютерных наук USC Viterbi, кафедрой химической инженерии и материаловедения семьи Морк и кафедрой физики и астрономии USC Dornsife.
«Представьте, что бактериальные споры подобны семени с твердой оболочкой, которая сохраняет механизм ДНК», - говорит Вашишта, директор Коллаборатории передовых вычислений и моделирования Университета Южной Калифорнии.
Это твердое покрытие действует как броня, защищающая споры. В этом «сублимированном», почти безжизненном состоянии споры ждут подходящих условий, чтобы превратиться во вредные бактерии.
Предыдущие исследования показали, что стерилизация влажным теплом может уничтожить болезнетворные бактерии, но механизмы, посредством которых споры уничтожаются при такой обработке, полностью не раскрыты.
Таким образом, оптимизация метода и обеспечение уничтожения бактериальных спор с любой степенью достоверности является проблемой для органов здравоохранения и оборонных ведомств.
Ломая бактериальную защиту
Используя 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 за тем, что происходило.
Моделирование показало, что в зависимости от концентрации воды и температуры вода внутри бактериальной клетки ведет себя либо как твердое вещество, либо как гель, либо как жидкость.
«Наши модели показали, что споры выполняют своего рода химический фокус, чтобы намеренно заморозить себя и обездвижить воду в своих клетках», - говорит Накано, который также сотрудничает с Департаментом биологических наук Университета Южной Калифорнии.
"Замороженные клетки не могут быть повреждены никаким излучением или химическим процессом, а также защищает ДНК, поэтому споры могут продолжать размножаться."
Согласно моделям исследователей, сочетание тепла и влаги «размораживает» воду внутри клетки, возвращая ее в жидкую форму. Без этого защитного барьера спору легче уничтожить.
Компьютерные модели также позволили исследователям определить точную температуру и водный баланс, необходимые для уничтожения бактерий: от 90 до 95 градусов Цельсия при концентрации воды выше 30 процентов.
Эти идеи могут быть использованы для предотвращения микробного заражения оборудования для пищевой промышленности и ограничения распространения болезней в случае биологической атаки. И поскольку этот процесс основан на влажном тепле, а не на химических процессах, бактерии не должны вырабатывать резистентность.