计算机模型揭示了杀死致命细菌的最佳方法

转化为休眠孢子的细菌可以在极端环境中存活数百万年，以食物中毒和生物武器炭疽的形式威胁人类生命。但是，了解细菌如何适应恶劣环境在很大程度上仍然是一个谜 - 直到现在。

在一项新的研究中，USC Viterbi工程学院的教授Priya Vashishta，Rajiv K. Kalia和Aiichiro Nakano使用基于计算机的模型来识别细菌孢子用来逃避极端温度，化学物质和辐射攻击的机制或“策略”。

利用复杂的数学技术在分子水平上检测孢子，该团队还确定了杀灭有害细菌的最佳条件。

Vashishta，Kalia和Nakano与USC Viterbi的计算机科学系，Mork家族化学工程和材料科学系以及USC Dornsife的物理和天文学系共同任命。

“想象一下，细菌孢子就像是一种具有硬涂层的种子，可以保护DNA机器，”南加州大学高级计算和模拟合作研究所主任Vashishta说。

这种硬涂层起到保护孢子的盔甲的作用。在这种“冻干”，几乎没有生命的状态下，孢子等待适当的条件开花成有害细菌。

早期的研究表明，湿热灭菌可以破坏引起疾病的细菌，但是这种治疗杀死孢子的机制尚未完全揭示。

因此，优化技术并确保细菌孢子的破坏具有任何确定性，这对公共卫生当局和国防机构来说是一个挑战。

打破细菌防御

利用X射线晶体学数据，研究人员首先确定了单一细菌的关键要素 - 水，酸和钙离子。然后，他们使用超级计算机运行数十万次模拟，控制酸，水和钙的百分比，并观察发生了什么。

模拟显示，根据水的浓度和温度，细菌细胞内的水表现为固体，凝胶或液体。

“我们的模型显示孢子表现出一种化学魔术，故意冻结自己并将水固定在细胞中，”Nakano说，他还与USC的生物科学部门进行了预约。

“冷冻细胞不会受到任何辐射或化学过程的干扰，它也能保护DNA，因此孢子可以继续繁殖。”

根据研究人员的模型，热量和水分的结合“解冻”细胞内的水，使其恢复液态。没有这种保护屏障，孢子更容易被破坏。

计算机模型还允许研究人员确定破坏细菌所需的确切温度和水平衡：在90-95摄氏度之间，水浓度超过30%。

这些见解可用于防止食品加工设备上的微生物污染，并在发生生物攻击时限制疾病的传播。而且由于该过程依赖于湿热而不是化学过程，细菌不应该产生抗性。