Las bacterias, transformadas en esporas inactivas, pueden sobrevivir millones de años en ambientes extremos, amenazando la vida humana en forma de intoxicación alimentaria y el ántrax del arma biológica. Pero comprender cómo las bacterias se adaptan a ambientes hostiles ha sido en gran medida un misterio, hasta ahora.
En un nuevo estudio, los profesores de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC, Priya Vashishta, Rajiv K. Kalia y Aiichiro Nakano utilizaron modelos basados en computadora para identificar mecanismos o "estrategias" utilizadas por las esporas bacterianas para evadir el ataque de temperaturas extremas, productos químicos y radiación.
Utilizando técnicas matemáticas complejas para examinar las esporas a nivel molecular, el equipo también determinó las condiciones óptimas para matar las bacterias dañinas.
Vashishta, Kalia y Nakano tienen citas conjuntas con el Departamento de Informática de USC Viterbi, el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Familia Mork y el Departamento de Física y Astronomía de USC Dornsife.
"Imagine que las esporas bacterianas son como una semilla con un recubrimiento duro que preserva la maquinaria del ADN", dice Vashishta, director de Collaborative for Advanced Computing and Simulations de la USC.
Este revestimiento duro actúa como una armadura que protege la espora. En este estado "casi sin vida" liofilizado, las esporas esperan las condiciones adecuadas para convertirse en bacterias dañinas.
Estudios anteriores han demostrado que la esterilización por calor húmedo puede destruir las bacterias que causan enfermedades, pero los mecanismos por los que este tratamiento elimina las esporas no se han revelado por completo.
Como tal, optimizar la técnica y asegurar la destrucción de las esporas bacterianas con cierto grado de certeza ha sido un desafío para las autoridades de salud pública y las agencias de defensa.
Descomposición de las defensas bacterianas
Utilizando datos de cristalografía de rayos X, los investigadores primero determinaron los elementos clave de una sola bacteria: agua, ácido y un ion calcio. Luego, usaron una supercomputadora para ejecutar cientos de miles de simulaciones, controlando el porcentaje de ácido,agua y calcio, y vimos lo que pasó.
Las simulaciones revelaron que dependiendo de la concentración y temperatura del agua, el agua dentro de la célula bacteriana se comporta como sólido, gel o líquido.
"Nuestros modelos mostraron que las esporas realizan una especie de truco de magia química para congelarse intencionalmente e inmovilizar el agua en sus células", dice Nakano, quien también tiene una cita con el Departamento de Ciencias Biológicas de la USC.
"Las células congeladas no pueden ser alteradas por ninguna radiación o proceso químico y también protege el ADN, por lo que las esporas pueden continuar reproduciéndose"
Según los modelos de los investigadores, una combinación de calor y humedad "descongela" el agua dentro de la célula, devolviéndola a una forma líquida. Sin esta barrera protectora, la espora se destruye más fácilmente.
Los modelos de computadora también permitieron a los investigadores determinar la temperatura exacta y el equilibrio del agua necesarios para destruir la bacteria: entre 90-95 grados Celsius con una concentración de agua superior al 30 por ciento.
Estas ideas podrían usarse para prevenir la contaminación microbiana en los equipos de procesamiento de alimentos y limitar la propagación de enfermedades en caso de un ataque biológico. Y debido a que el proceso depende del calor húmedo en lugar de los procesos químicos, las bacterias no deberían poderpara desarrollar resistencia.
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Materiales proporcionados por Universidad del Sur de California . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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