Bactéries, transformés en spores dormantes, peut survivre des millions d'années dans des environnements extrêmes, menaçant la vie humaine sous la forme d'une intoxication alimentaire et de l'anthrax, une arme biologique. Mais comprendre comment les bactéries s'adaptent aux environnements hostiles est resté en grande partie un mystère, jusqu'à présent.

Dans une nouvelle étude, Les professeurs de l'USC Viterbi School of Engineering Priya Vashishta, Rajiv K. Kalia et Aiichiro Nakano ont utilisé des modèles informatiques pour identifier les mécanismes ou « stratégies » utilisés par les spores bactériennes pour échapper aux attaques des températures extrêmes, produits chimiques et radiations.

En utilisant des techniques mathématiques complexes pour examiner les spores au niveau moléculaire, l'équipe a également déterminé les conditions optimales pour tuer les bactéries nocives.

Vasishta, Kalia et Nakano ont des nominations conjointes avec le département d'informatique de l'USC Viterbi, le Département de génie chimique et de science des matériaux de la famille Mork, et le département de physique et d'astronomie de l'USC Dornsife.

"Imaginez que les spores bactériennes sont comme une graine avec un revêtement dur qui préserve la machinerie de l'ADN, " dit Vashishta, le directeur du Collaboratory for Advanced Computing and Simulations de l'USC.

Ce revêtement dur agit comme une armure protégeant la spore. Dans ce "lyophilisé, " état presque sans vie, les spores attendent les bonnes conditions pour se transformer en bactéries nocives.

Des études antérieures ont montré que la stérilisation à la chaleur humide peut détruire les bactéries pathogènes, mais les mécanismes par lesquels les spores sont tués par ce traitement n'avaient pas été entièrement révélés.

En tant que tel, optimiser la technique et assurer la destruction des spores bactériennes avec un certain degré de certitude a été un défi pour les autorités de santé publique et les agences de défense.

Briser les défenses bactériennes

En utilisant les données de cristallographie aux rayons X, les chercheurs ont d'abord déterminé les éléments clés d'une seule bactérie :l'eau, acide et un ion calcium. Puis, ils ont utilisé un superordinateur pour exécuter des centaines de milliers de simulations, contrôler le pourcentage d'acide, eau et calcium, et regardé ce qui s'est passé.

Les simulations ont révélé qu'en fonction de la concentration et de la température de l'eau, l'eau à l'intérieur de la cellule bactérienne se comporte comme un solide, gel ou liquide.

"Nos modèles ont montré que les spores effectuaient une sorte de tour de magie chimique pour se geler intentionnellement et immobiliser l'eau dans leurs cellules, " dit Nakano, qui détient également un rendez-vous avec le département des sciences biologiques de l'USC.

"Les cellules congelées ne peuvent être perturbées par aucun rayonnement ou processus chimique et cela protège également l'ADN, pour que les spores puissent continuer à se reproduire."

Selon les modèles des chercheurs, une combinaison de chaleur et d'humidité "dégivre" l'eau à l'intérieur de la cellule, le remettre sous forme liquide. Sans cette barrière protectrice, la spore est plus facilement détruite.

Les modèles informatiques ont également permis aux chercheurs de déterminer la température exacte et le bilan hydrique nécessaires pour détruire les bactéries :entre 90 et 95 degrés Celsius avec une concentration en eau supérieure à 30 %.

Ces informations pourraient être utilisées pour prévenir la contamination microbienne des équipements de transformation des aliments et limiter la propagation des maladies en cas d'attaque biologique. Et parce que le processus repose sur la chaleur humide plutôt que sur des processus chimiques, les bactéries ne devraient pas être capables de développer une résistance.

Le papier, intitulé « Phase gel dans le dipicolinate de calcium hydraté, " apparaît dans Lettres de physique appliquée .