batteri, trasformati in spore dormienti, può sopravvivere milioni di anni in ambienti estremi, minacciando la vita umana sotto forma di intossicazione alimentare e l'antrace arma biologica. Ma capire come i batteri si adattano ad ambienti ostili è rimasto in gran parte un mistero, fino ad ora.

In un nuovo studio, Priya Vashishta, professori della USC Viterbi School of Engineering, Rajiv K. Kalia e Aiichiro Nakano hanno utilizzato modelli basati su computer per identificare meccanismi o "strategie" utilizzati dalle spore batteriche per sfuggire agli attacchi delle temperature estreme, sostanze chimiche e radiazioni.

Utilizzando complesse tecniche matematiche per esaminare le spore a livello molecolare, il team ha anche determinato le condizioni ottimali per uccidere i batteri nocivi.

Vashishta, Kalia e Nakano hanno appuntamenti congiunti con il Dipartimento di Informatica dell'USC Viterbi, il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali della Famiglia Mork, e il Dipartimento di Fisica e Astronomia della USC Dornsife.

"Immaginate che le spore batteriche siano come un seme con un rivestimento duro che preserva il meccanismo del DNA, "dice Vashishta, il direttore del Collaboratory for Advanced Computing and Simulations di USC.

Questo rivestimento duro agisce come un'armatura che protegge la spora. In questo "liofilizzato, "stato quasi senza vita, le spore aspettano le giuste condizioni per fiorire in batteri nocivi.

Studi precedenti hanno dimostrato che la sterilizzazione a calore umido può distruggere i batteri che causano malattie, ma i meccanismi per cui le spore vengono uccise da questo trattamento non erano stati completamente rivelati.

Come tale, ottimizzare la tecnica e garantire la distruzione delle spore batteriche con un certo grado di certezza è stata una sfida per le autorità sanitarie pubbliche e le agenzie di difesa.

Abbattere le difese batteriche

Utilizzando i dati della cristallografia a raggi X, i ricercatori hanno prima determinato gli elementi chiave di un singolo batterio:acqua, acido e uno ione calcio. Quindi, hanno usato un supercomputer per eseguire centinaia di migliaia di simulazioni, controllando la percentuale di acido, acqua e calcio, e guardato cosa è successo.

Le simulazioni hanno rivelato che, a seconda della concentrazione e della temperatura dell'acqua, l'acqua all'interno della cellula batterica si comporta come solida, gel o liquido.

"I nostri modelli hanno mostrato che le spore eseguono una sorta di trucco di magia chimica per congelarsi intenzionalmente e immobilizzare l'acqua nelle loro cellule, "dice Nakano, che ha anche un appuntamento con il Dipartimento di Scienze Biologiche dell'USC.

"Le cellule congelate non possono essere disturbate da nessuna radiazione o processo chimico e protegge anche il DNA, così le spore possono continuare a riprodursi."

Secondo i modelli dei ricercatori, una combinazione di calore e umidità "scongela" l'acqua all'interno della cella, riportandolo in forma liquida. Senza questa barriera protettiva, la spora è più facilmente distrutta.

I modelli al computer hanno anche permesso ai ricercatori di determinare l'esatta temperatura e l'equilibrio idrico necessari per distruggere i batteri:tra 90-95 gradi Celsius con una concentrazione di acqua superiore al 30 percento.

Queste informazioni potrebbero essere utilizzate per prevenire la contaminazione microbica sulle attrezzature per la lavorazione degli alimenti e limitare la diffusione della malattia in caso di attacco biologico. E poiché il processo si basa sul calore umido piuttosto che su processi chimici, i batteri non dovrebbero essere in grado di sviluppare resistenza.

La carta, dal titolo "Fase gel in dipicolinato di calcio idrato, " apparso in Lettere di fisica applicata .