Geenitekniikkaa ja evoluutiota hyödyntänyt tutkimus muunsi toisenvaraisen eliön omavaraiseksi. Tutkijat saivat kolibakteerin keräämään tarvitsemansa hiilen hiilidioksidista.

Saavutus voi avata ovet uudenlaisen bioenergian käytöllle ja jopa bakteeriruuan massatuotannolle. Bakteerien avulla voitaisiin tulevaisuudessa tuottaa orgaanisia molekyylejä, joita voidaan käyttää joko biopolttoaineina tai ruuan tuotannossa. Tällä tavoin tuotettujen hyödykkeiden hiilijalanjälki pienenisi huomattavasti perinteisiin verrattuna, sillä prosessi poistaa hiilidioksidia ilmasta.

Kolibakteeri (Escherichia coli eli E. coli) on geeniteknologian tärkein mallieliö. Se tunnetaan hyvin, sitä on helppo kasvattaa, ja sitä voidaan muokata varsin helposti. Geenimuokkausten tulokset näkyvät nopeakasvuisessa bakteerissa pian, ja tuloksia voidaan ohjailla ja säätää tarkkaan. Jo nyt geenimanipuloiduilla kolibakteereilla tuotetaan esimerkiksi elintärkeää insuliinia sekä kasvuhormoneja.

Kolibakteeri tarvitsee kuitenkin kasvaakseen muiden eliöiden valmistamaa eloperäistä ainesta. Ne ovat siis ihmisen lailla toisenvaraisia eliöitä. Lisäksi kolibakteeri tuottaa jätteenään hiilidioksidia.

Omavaraiset yhteyttävät eliöt ovat erilaisia. Näitä ovat esimerkiksi kasvit ja sinibakteerit (tai sinilevät, kuten jälkimmäisiä virheellisesti kutsutaan), jotka sitovat ilman hiilidioksidia monenlaisiin yhdisteisiin – esimerkiksi DNA:han, proteiineihin, sokereihin ja rasvoihin. Omavaraisia eliöitä voisi periaatteessa käyttää oivina biologisina tehtaina, mutta ikävä kyllä ne ovat geeneiltään usein haastavia muokattavia.

Geeniteknologiassa onkin jo pitkään kaivattu helposti muokattavaa omavaraista eliöä. Paras olisi sellainen, joka voitaisiin muuntaa hallitusti toisenvaraisesta omavaraiseksi. Moisen siirtymän povataan mahdollistavan uudenlaisten uusiutuvien energianlähteiden ja kestävämmän ruuantuotannonkin kehityksen.

Tämä himoittu askel on nyt viimein otettu. Ratkaisu oli kolibakteeri, johon tarvitsi tehdä muutoksia ainoastaan yhteentoista geeniin. Tutkimusartikkeli julkaistiin 27.11.2019 Cell-julkaisusarjassa.

Aluksi kolibakteereille siirrettiin geenejä, jonka avulla ne voivat hyödyntää ilman hiilidioksidia. Tämä prosessi kuitenkin vaatii energiaa, eikä bakteereilla ole keinoja yhteyttämiseen. Tarvittiin jokin muu energianlähde. Bakteereille annettiin siksi lisää uusia geenejä – sellaisia, jotka mahdollistavat energian imemisen formiaatti-nimisestä molekyylistä (HCOO^-).

Geenimuutokset antoivat kolibakteereille mahdollisuuden vaihtaa "ruokailutottumuksiaan", mutta se ei vielä aivan riittänyt.

Vielä 1800-luvun puolivälissä Venus oli yhtä lailla tapetilla, kun pohdittiin elämää muualla maailmankaikkeudessa. Vasta Marsin kanavien löydyttyä 1870-luvun loppupuolella vaaka kallistui vankasti punaisen planeetan puolelle.

Kanavat eivät olleetkaan merkki kehittyneen sivilisaation olemassaolosta, vaan ne osoittautuivat näköharhaksi. Silti Mars säilytti statuksensa kaikkein kiinnostavimpana tutkimuskohteena.

Venusta on toki tutkittu sekä kiertoradalta että muutaman tunnin pinnalla toimineiden panssaroitujen luotainten avulla, mutta elämä ja Venus eivät oikein ole mahtuneet samaan lauseeseen.

Sisemmän naapuriplaneettamme olosuhteet ovat kieltämättä ankarat. Siinä missä Marsissa on harva kaasukehä ja pakkasta normisti satakunta astetta, Venuksessa kaasukehän paine on pinnalla samaa luokkaa kuin Maan merissä kilometrin syvyydessä, pintalämpötila on yli 450 celsiusastetta ja taivaalta sataa happoa. Ja planeetta on rutikuiva.

Tutkijat ovat silti palanneet vanhaan ajatukseen Venuksen mahdollisesta elämästä, mutta toisin kuin 1800-luvulla, jolloin naapuriplaneettamme arveltiin muistuttavan olosuhteiltaan meikäläisiä sademetsiä, tällä kertaa tarkastelun kohteena on Venuksen kaasukehä ja koko planeettaa peittävä pysyvä pilviverho.

"Venuksella on ollut yllin kyllin aikaa synnyttää elämää", arvelee tutkimusta johtanut Sanjay Limaye Wisconsinin yliopistosta. "Joidenkin mallien mukaan Venuksessa oli elinkelpoinen ilmasto ja pinnalla nestemäistä vettä jopa kahden miljardin vuoden ajan eli paljon pidempään kuin Marsissa arvellaan olleen."

Maan ilmakehästä on löytynyt bakteereja yli 40 kilometrin korkeudesta. Muutenkin pieneliöiden sietokyky tuntuu olevan erinomainen: niitä on kuumissa lähteissä, merten syvänteissä, happojärvissä, melkein missä tahansa. Miksei sitten myös Venuksen kaasukehässä korkeudella, jolla paine ja lämpötila ovat siedettävissä rajoissa?

Lähes kaikille antibiooteille vastustuskykyiset bakteerit ovat viimeisen kymmenen vuoden aikana ilmaantuneet eri puolille maailmaa, koska bakteerit siirtyvät maanosasta toiseen ihmisten maailmanlaajuiden jatkuvan liikkumisen seurauksena.

Maailman terveysjärjestö WHO onkin määritellyt antibioottiresistenssin leviämisen maailmanlaajuiseksi uhaksi ihmisen terveydelle.

"Tutkimustyöhömme perustuva uusi menetelmä antaa mahdollisuuden kohdentaa lääkeaine sellaisiin bakteerien perinnöllisiin tekijöihin, että resistenssin kehittymisen ja lajilta toiselle leviämisen mahdollisuus minimoidaan", sanoo tänään julkaistussa tutkimuksessa mukana ollut Helsingin informaatioteknologian tutkimuslaitoksen HIIT:in professori Jukka Corander.

Tilastollinen malli paljastaa evolutiivisia rajoitteita bakteerien perimän muutoksissa

Arvostetussa PloS Genetics -lehdessä juuri julkaistussa tutkimuksessa havainnollistetaan laskennallisen menetelmän tarjoamia mahdollisuuksia lääkkeiden kehitystyölle.

Työssään tutkijat analysoivat suuria määriä pneumokokki- ja streptokokkibakteerien näytteitä ja kehittivät tilastollisen mallin, jonka avulla voidaan paljastaa evolutiivisia rajoitteita luonnollisessa ympäristössä tapahtuville muutoksille bakteerien perimässä.

Pneumokokeilta paljastui tämän myötä useita aiemmin tuntemattomia mutaatioiden yhdysvaikutuksia.

"Yhdistämällä näistä yhdysvaikutuksista saatava tieto systeemibiologiaan ja molekyylilääketieteeseen voitaisiin ottaa tavoitteeksi lääkeaine, joka häiritsisi kyseisten geenien toimintaa ja yhtäaikaisesti johtaisi bakteerien solujen uusiutumisen estymiseen", sanoo Corander.

"Koska yhdysvaikutukset ovat useimmissa tapauksissa vahvasti sidoksissa tietyn bakteerilajin ydinperimään, lääkeaineella ei olisi sivuvaikutuksia muihin bakteereihin.

Corander mukaan koskaan aiemmin ei ole kyetty sovittamaan mutaatioiden välistä evolutiivista vuorovaikutuspainetta kuvaavaa todennäköisyysmallia samanaikaisesti kaikkiin perimässä esiintyviin mutaatioihin."

Malli sisältää lähes sata miljardia tuntematonta tekijää

Tutkijat hyödynsivät työssään useiden vuosien aikana kertynyttä kokemusta päättelyalgoritmeista ja kehittivät lähestymistavan, joka mahdollisti riittävän tarkan analyysin.

Tutkimustulokset antavat Coranderin mukaan mahdollisuuden tarkastella lähitulevaisuudessa kaikkien yleisten infektiotauteja aiheuttavien bakteerien perimän muutoksia laajojen genomiaineistojen pohjalta. Hän näkee, että näin voitaisiin perustutkimuksen avulla luoda pohja täsmälääketieteen sovelluksille ja edesauttaa vakavien infektioiden torjuntaa tulevaisuudessa.

Corander johtaa HIIT:in laskennallisen päättelyn tutkimusohjelmaa ja toimi nyt julkaistun hankkeen vastuullisena tutkijana. Hänen mukaansa laskennallinen haaste on valtava, koska tämänkaltainen malli sisältää lähes sata miljardia tuntematonta tekijää.

Ratkaisun saavuttamiseksi tarvittiin satojatuhansia tunteja prosessoriaikaa Suomen tieteellisen laskennan CSC:n palvelimella. Tärkeinä yhteistyökumppaneina toimivat myös maailman johtavan genomikeskuksen Sanger-instituutin bakteerigenomiikan tutkijat.

Lähdejulkaisu: Interacting networks of resistance, virulence and core machinery genes identified by genome-wide epistasis analysis, PloS Genetics (DOI: 10.1371/journal.pgen.1006508).

Ympärillämme on ihan joka paikassa mikrobeja. Bakteerit, homeet ja hiivat leijuvat itiöinä ilmassa ja liftaavat ihollamme. Kotioloista ei löydy niin kliinistä paikkaa, ettei sieltä jotain elämää löytyisi. Vaikka kuinka puunaisi. Eikä missään nimessä tarvitsekaan.

Toisin kuin hätäisempi voi kuvitella, kaikki mikrobit eivät ole haitallisia. Ja ne haitallisetkin alkavat olla sitä vasta riittävän suurina yhteisöinä, ja sopivissa olosuhteissa.

Homesienet iskevät otolliseen ruokaan kuin sika limppuun. Harmaanvihreänvalkoisena erottuva massa on jo pitkälle ehtinyt kasvusto. Näkymätön rihmasto on ehtinyt kaivutua ruokaan jo päivien ajan.

Homesienet eivät ole yhtenäinen lajiryhmä, vaan eräs monien sienityyppien elintapa. Näitä mikroskooppisia hajottajasieniä on tuhansia lajeja, eivätkä kaikki niistä ole vaarallisia.

Homeissa myrkyllistä ei ole itse eliö, vaan joidenkin lajien erittämät homemyrkyt elimykotoksiinit. Nämä lukuisat aineet ovat homeiden sekundäärisiä aineenvaihduntatuotteita ja kemiallisia myrkkyjä muille eliöille. Kuumennuskaan ei niitä ruuasta poista.

Pieni määrä ei useimmiten aiheuta ongelmia, mutta selvästi homehtuneen ruuan syöminen voi jo aiheuttaa ruokamyrkytyksen. Todellinen vaara piilee kuitenkin pitkäaikaisessa altistumisessa. Pahimmista aineista voi silloin seurata maksa- tai munuaisvaurioita ja jopa syöpää.

Suuri määrä homeitiöitä ilmassa voi myös aiheuttaa etenkin hengityselimistön ongelmia.

Homeista on myös paljon hyötyä. Esimerkiksi penisilliinin toiminta perustuu homemyrkkyjen käyttöön, ja homeiden avulla valmistetaan monia muitakin lääkkeitä. Eivätkä monenmoiset ruuat soijakastikkeesta salameihin olisi mahdollisia ilman homeiden apua. Homejuustoissa juuri oikeanlainen home tekee niistä herkullisia.

Eikä kannata unohtaa homeiden tärkeintä tehtävääkään, eli orgaanisen aineen hajotusta.

Clostridium botulinum –bakteeri tuottaa voimakkainta tunnettua myrkkyä, botulinumneurotoksiinia, joka esimerkiksi ruuan mukana nieltynä aiheuttaa ihmiselle ja eläimille henkeä uhkaavaa neliraajahalvausta, botulismia.

Ruokaan sitä joutuu joskus ympäristöstä, jossa sitä esiintyy paikoitellen runsaastikin kestävinä itiöinä. Itiöt selviytyvät elintarviketeollisuuden prosesseista ja saattavat itää myrkyllisiksi kasvustoiksi pakatuissa ruuissa jopa jääkaappilämpötiloissa.

Pelkästään Euroopan Unionin alueella tautiin sairastuu satakunta ihmistä vuodessa. 

Helsingin yliopiston eläinlääketieteellisessä tiedekunnassa tutkijana toimiva David Kirk selvittää väittelee aiheesta ensi perjantaina. Hän selvittää väitöskirjatutkimuksessaan C. botulinumin itiömuodostuksen säätelymekanismeja sekä sitä, miten itiöityminen on yhteydessä bakteerin selviytymiseen kylmässä. Kirkin tutkimus auttaa ymmärtämään C. botulinum –bakteerin itiömuodostusta elintarvikkeissa ja auttaa osaltaa taltuttamaan bakteerin aiheuttamia elintarviketurvallisuusriskejä.

Kirk kuvaa tutkimuksessaan itiöitymiseen liittyvien geenien ilmentymistä säätelevien sigmatekijöiden toimintaa C. botulinum kasvun ja itiöitymisen sekä toisaalta bakteerin elintarvikkeiden säilönnässä käytettyjä keinoja, kuten suolaa ja kylmää lämpötilaa, jotka ovat bakteerille stressaavia olosuhteita.  

Tutkimuksessa kehitettiin myös C. botulinumin geeni-ilmentymisen tutkimiseen soveltuva testi. Vaikka bakteeri-itiöiden merkitys elintarvikkeiden turvallisuuden ja laadun kannalta on erittäin suuri, C. botulinumin ja monien muiden ruokamyrkytysbakteerien itiöitymisen mekanismit on tunnettu huonosti. Kirk havaitsi, että mekanismit olivat pääpiirteiltään samankaltaiset kuin itiöitymisen mallilajissa, Bacillus subtiliksessa, mutta ns. sigmatekijöiden* toiminta C. botulinumissa poikkesi mallilajista olennaisesti.

Havainnolla saattaa olla merkitystä kehitettäessä esimerkiksi geenimerkkejä itöitymisen tutkimiseksi. 

C. botulinum -itiöt saattavat itää myrkyllisiksi kasvustoiksi jopa bakteerille stressaavissa olosuhteissa, kuten suola-, pH- ja kylmästressissä, joita yleisesti käytetään elintarvikkeiden säilönnässä. Kirk osoitti ensimmäistä kertaa, että yksi itiöitymistä säätelevistä sigmatekijöistä sääteli myös stressivastetta.

Tämän sigmatekijän on sukulaislajeilla osoitettu myös säätelevän toksiinituotantoa. Havainnot osoittavat, että itiöityminen, bakteerin stressivaste ja toksiinituotanto, jotka muodostavat bakteerin kannalta erittäin tehokkaan strategian lajin säilymisen näkökulmasta, ovat uudella tavalla geneettisesti kytkettyjä. Havainnoilla on tärkeä merkitys uudenlaisten ja entistä tarkempien elintarviketurvallisuuden arviointi- ja hallintamenetelmien kehittelyssä.

David Kirkin väitöstkija “Alternative sigma factors F, E, G, and K in Clostridium botulinum sporulation and stress response” on saatavina elektronisessa muodossa netissä.

* Sigmatekijät ovat proteiineja, jotka toimivat RNA-synteesin aloituksessa tunnistamalla geenien säätelyalueet. Eri sigmatekijät tunnistavat eri geenien säätelyalueet ja vaikuttavat siten geenien ilmenemisessä tapahtuviin muutoksiin solun aineenvaihdunnan tarpeiden mukaan

Teksti perustuu Helsingin yliopiston lähettämään tiedotteeseen. Otsikkokuvan on ottanut David Kirk.

Harvardin yliopiston tutkijaryhmä on selvittänyt, miten maanpinnalla viihtyvä Rhodopseudomonas palustris -bakteeri voi hyödyntää ravinnontuotannossaan maan uumenissa olevia mineraaleja: se käyttää hyväkseen sähköä.

Ilmiö perustuu EET-prosessiin (extracellular electron transfer), jossa elektronit kulkevat soluseinämän lävitse. Luonnossa tutkimuksen kohteena olleet mikrobit ottavat tarvitsemansa elektronit – eli sähkön – raudasta, mutta laboratoriossa tehdyt kokeet viittaavat siihen, että rauta ei kuitenkaan ole keskeinen tekijä prosessissa. Bakteerit pystyivät nappaamaan elektroneja myös muista mineraaleista, kunhan niissä on elektroneja, jotka voivat niistä ylipäätään irrota.

Rhodopseudomonas palustris -bakteerit tarvitsevat auringonvaloa pysyäkseen hengissä, mutta niiden ravinnonlähteenä oleva rauta on suurelta osin maan alla. Mikrobit ovat kehittäneet kyvyn rakentaa "luomukaivoksia", joilla ne pääsevät käsiksi rautaan sähkövirran avulla.

Yksi näistä on juusto, jonka valmistamisessa käytetty bakteerikasvusto on peräisin ihmisen varpaiden välistä. Kyseessä on eräs Dublinin Trinity Collegen Tiedegalleriassa parhaillaan esillä olevan Kasvata se itse -näyttelyn kohteista.

"Olen hyvin innostunut aina asioista, jotka ovat hieman ällöttäviä", sanoo Agapakis, ja ihmisperäinen juusto on todellakin sellainen – eikä vain tuoksunsa suhteen.

Näyttelyssä on useita erilaisia juustoja, jotka on tehty ihmisen varpaiden välistä, kainaloista, suusta ja napanöyhdästä otetuista bakteereista. Näistä tehdyt juustot tuoksuvat (ainakin periaatteessa) hieman alkuperäiseltä bakteerikasvustolta, eli bakteerinluovuttajalta itseltään.

Juuston kannalta sillä, mistä bakteerit ovat peräisin, ei ole mitään merkitystä. Maidossa on luonnostaan bakteereita, jotka saavat aikaan sopivissa olosuhteissa (mm. sopivasti lämmitettäessä ja heraa poistamalla maitoa tiivistämällä) prosessin, missä maitoon syntyy paitsi syömäkelpoista, niin myös herkullista bakteerikasvustoa. Niin jogurtti, juustot kuin muutkin hapatetut maitotuotteet perustuvat bakteerikasvuston syntymiseen.

Meijereissä tosin ollaan luovuttu jo kauan sitten luonnollisten bakteerien käyttämisestä, sillä laatu saadaan paremmaksi ja tuotteet turvallisemmiksi ottamalla apuun kontrolloiduissa olosuhteissa kasvatetut ja sopivasti muokatut bakteerit. Juuston olemukseen ja makuun voidaan vaikuttaa suoraan erityyppisten mikrobikantojen käytöllä. Kun juustoa seisotetaan vähän aikaa, viikosta vuosiin, sopivissa kellariolosuhteissa, kypsyttävät maitohappobakteerit juustoa, ja lopulta tulos on herkullista juustoa.

Tässä ihmisjuustotapauksessa juuston juuri kasvatettiin näytteistä saaduista bakteereista. Bakteerit eristettiin, niitä kasvatettiin ja lopulta ne laitettiin raakajuustoon <i>Lactobacillus</i> -bakteerien kanssa, minkä jälkeen prosessi kävi samaan tapaan kuin "normaalia" juustoa valmistettaessa.

“Monien voimakkaimmin tuoksuvien juustojen bakteerit ovat itse asiassa sukua bekteereille, jotka saavat aikaan ihmisten kainaloiden tai jalkojen luontaisen tuoksun", selittää Agapakis. "Ihmiset ovat juustostamme kuullessaan hermostuneita ja tuntevat olonsa epämukaviksi, mutta kun he haistavat juustoa, niin he huomaavat, ettei se olekaan mitenkään erikoista."

Agapakiksen mukaan juustoprojektin tarkoituksena on näyttää konkreettisesti, että sopivasti jalostamalla ja valitsemalla omituisiakin bakteereita voidaan laboratorioissa saada aikaan kiinnostavia, uudenlaisia bakteerikasvustoja. Juusto osoittaa myös miten synteettinen biologia ja luonnollinen biologia voivat toimia hyvin yhdessä, vaikka usein niitä ajatellaan toisilleen vastakkaisina.

Christina Agapakis kertoo hankkeesta enemmän alla olevalla videolla: