bakteeri

Artturi Ilmari Virtanen (1895–1973) tunnetaan parhaiten maitohappokäymiseen perustuvasta rehun säilömismenetelmästä, josta hän sai kemian Nobelin palkinnon vuonna 1945.

Virtasen propionihappobakteereita koskeva tutkimus on sen sijaan vähemmän tunnettua. Propionihappobakteereihin kuuluu useita merkittäviä lajeja, jotka esimerkiksi valmistavat B12-vitamiinia, ovat mukana aknen synnyssä tai tuottavat propionihappoa teollisuusmittakaavassa.

Propionihappobakteereita onnistuttiin eristämään ja kuvaamaan tieteelle jo 1900-luvun alussa. 1920-luvun alussa A. I. Virtanen tutki suomalaisesta emmentaljuustosta eristämiään propionihappobakteerikantoja, mutta vasta hollantilainen Cornelius Bernadus van Niel loi väitöskirjassaan 1928 propionihappobakteerien systemaattisen luokittelun ja nimistön.

Titanic lepää nyt Atlantin valtameren pohjassa noin 3800 metrin syvyydessä. Siellä, pimeydessä ja suuressa vedenpaineessa, kaikki tapahtuu hitaasti. Myös ruostuminen.

Niinpä vuonna 1912 uponneesta Titanicista on vielä paljon jäljellä, kuten sille tehdyt sukellukset osoittavat.

Ruostetta ikävämpi tuhoaja on kuitenkin vuonna 1991 löydetty kummallinen metallinsyöjäbakteeri.

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).

Bakteriologian tutkimus on muutoksessa.

Enää ei oleteta koko tutkittavan bakteerikolonnan koostuvan miljoonista identtisistä ja samalla tavoin käyttäytyvistä bakteerisoluista vaan kasvustojen oletetaan käyttäytyvän ennemminkin monisoluisen ”elimen” tavoin, jossa elinympäristöstä tulevat viestit ohjaavat yksittäisten solujen tai solujoukkojen työnjakoa.

Tämä on lähtöajatus myös Helsingin yliopiston professorin Miia Lindströmin johtamassa Clostridium botulinum –bakteerin (otsikkokuvassa) tutkimuksessa.

"Pyrimme ymmärtämään, miksi bakteerit, tai osa niistä, tuottavat tappavaa hermomyrkkyä, botuliinia ja mikä niitä motivoi", Lindström kertoo Helsingin yliopiston tiedotteessa.  

"Jos ymmärtäisimme syvällisesti, mitä hyötyä hermomyrkyn tuottamisesta bakteerille on, voisimme saada selville, miten bakteerin myrkyntuotantoa voitaisiin säädellä ja hallita."

Botoxia naamaan, mutta ei ruokaan

Vaikka C. botulinum -bakteeri on tunnettu jo pari vuosisataa, se on hermomyrkkytuotantonsa takia edelleen kiinnostava. Bakteerin tuottama botuliini on eräs voimakkaimmista tunnetuista myrkyistä, ja se aiheuttaa jo gramman miljoonasosan määrissä neliraajahalvauksen. Tauti saattaa johtaa myös kuolemaan, jos keuhkojen hengityslihakset halvaantuvat. Toipuminen edellyttää viikkojen tai kuukausien tehohoitoa.

Botuliini on haitallista kaikille eläimille, ei vain ihmiselle.

Nimensä botuliini ja sen aiheuttama myrkytystila, botulismi, on saanut latinan kielen makkaraa tarkoittavasta sanasta botulus, koska myrkky löydettiin ensimmäisen kerran 1700-luvun lopussa pilaantuneista makkaroista. Yhä edelleenkin botulismi vaanii pilaantuneissa ruokatarvikkeissa, sillä C. botulinum -bakteereita, kuten muitakin ns. itiöllisiä bakteereita esiintyy kaikkialla maaperässä ja vesistöissä, joista ne siirtyvät ravintoketjuun.

Sopivissa olosuhteissa – ja hygienian pettäessä – bakteeri pääsee tuottamaan ruokatarvikkeessa myrkkyjä.

Itiölliset bakteerit ovat yllättävän kestäviä, koska niillä on kestävä kuori, joka suojaa niiden perimää ja muita toimintoja. Näin ollen osa niistä pystyy selviämään myös elintarviketeollisuuden prosesseista.

"Botulismi on onneksi äärimmäisen harvinainen mutta kuitenkin tunnettu ruokavälitteisenä ilmiönä, jota vastaan elintarviketeollisuus jatkuvasti kamppailee", Lindström sanoo.

"Monet itiölliset bakteerit viihtyvät sekä hapettomissa että kylmissä olosuhteissa, jolloin osa niistä pystyy tuottamaan toksiineja kasvunsa aikana."

Elintarvikkeita pakataan yhä useammin hapettomiin pakkauksiin, kuten tyhjiöpakkauksiin tai suojakaasuun, sillä "nykyisin elintarvikkeiden käsittelyprosessit ovat kuluttajien vaatimuksesta suhteellisen mietoja", kuten Lindström toteaa.

Botuliinia voi käyttää myös hyväksi. Sen lääketieteellinen hyötykäyttö liittyy myrkyn lihaksia lamaannuttavaan vaikutukseen: sillä voi esimerkiksi hoitaa neurologisista syistä johtuvaa tahatonta lihasten nykimistä, silmien räpsytystä ja erilaisia pakkoliikehdintäoireita.

Ja kyllä: botuliini on kuuluisaa botoxia, jota piikitetään kosmeettisissa tarkoituksissa naamaan. Hyvin pieninä määrinä annettu botox lamaannuttaa kasvojen lihaksia ja tasaa siten ryppyjä. Vaikutus ei kestä pitkään, joten pysyvää vaikutusta ei pistoksilla saa aikaan.

Tutkimuksen lähtökohtana oli ymmärtää, miten männyn ja bakteereiden välinen yhteiselo toimii. Kasvit ja eläimet puolustautuvat mikrobeja vastaan, olivatpa ne sitten hyviä tai pahoja. Ne tuottavat suuria määriä happiradikaaleja infektiokohtaan estääkseen mikrobien pääsyn eteenpäin.

Bakteerit ovat kehittäneet oman suojautumistavan happiradikaaleja vastaan. Bakteerien runsaana energiavarastona toimivan pitkän rasvahappoketjun, polyhydroksibutyraatin, havaittiin yllättäen toimivan antioksidanttina, kun se oli pilkottuna pieniin osiin.

Bakteerit kykenevät tuottamaan rasvahappoketjua todella suuria määriä, jopa 90 prosenttia solun massasta. Tämä kuvastaa miten tärkeä yhdiste on bakteerille silloin, kun antioksidanttia tarvitaan nopeasti suuria määriä.

Tiedon avulla voidaan etsiä sellaisia antibiootteja, jotka tuhoavat bakteereilta kyvyn tuottaa pitkää rasvahappoketjua.

Osana tohtorikoulutettava Janne Koskimäen kasvimikrobiologian alaan kuuluvaa väitöskirjaa, tutkimus osoitti tämän suojautumistavan olevan erittäin laajalle levinnyt bakteerikunnassa ja liittyvän yleisesti bakteerien kykyyn sietää vaikeita olosuhteita.

Tutkimuksessa havaittiin, että bakteerien energiavaraston hajotusprosessissa syntyneet lyhyet rasvahappoketjut hävittivät hapen myrkyllisintä muotoa, hydroksyyliradikaalia, jopa kolme kertaa tehokkaammin kuin tunnetuin solujen luonnollinen antioksidantti, glutationi, ja peräti yli kymmenen kertaa paremmin kuin C-vitamiini. Yhdisteiden havaittiin suojaavan myös hiivasoluja hapettavilta olosuhteilta.

Tutkimuksen tulokset julkaistiin 14. maaliskuuta 2016 Nature Chemical Biology-lehdessä.

Saatuja tuloksia hyödynnetään parhaillaan Oulun yliopistossa käynnissä olevassa Tekesin TUTLi (tutkimuksesta uutta tietoa ja liiketoimintaa)-rahoitteisessa hankkeessa, jossa kehitetään hoitomuotoa silmänpohjanrappeumaan. Suomen Akatemia on tukenut Koskimäen tutkimusta.

Juttu perustuu käytännössä kokonaan Oulun yliopiston viestinnän artikkeliin, jonka on kirjoittanut Maarit Jokela.

Venäläiset tutkijat ovat poranneet toisen reiän Vostok-järveen. Järvi sijaitsee lähes nelikilometrisen jääpeitteen alla Etelämantereella. Se on ollut eristyksissä ulkomaailmasta 15 miljoonan vuoden ajan.

Ensimmäinen kairaus Vostokin tehtiin vuonna 2012. Tutkijat ilmoittivat pian sen jälkeen löytäneensä saaduista näytteistä aiemmin tuntemattomien bakteerien perimää. Löytö kuitenkin kyseenalaistettiin, sillä näytteisiin oli sekoittunut kairauksessa käytettyjä nesteitä. Kaira oli nimittäin nostettu pois liian nopeasti, ja syntynyt alipaine loiskautti oitis suuren annoksen järvivettä kairaa vasten, saastuttaen näytteet.

Otsikkokuvassa oleva rakennelma on Vostok-tutkimusasemalla olevan poran poraustorni.

Järven pinta saavutettiin toisen kerran 25.1.2015. Ja nyt tutkijat osasivat olla varovaisempia. He uskovatkin saaneensa tällä kertaa näytteitä varmasti puhtaasta järvivedestä. He käyttivät vanhaa porausreikää aina 3400 metrin syvyyteen asti, mutta käänsivät sitten kairan eri suuntaan. Lopuksi kairaa nostettiin riittävän hitaasti. Näin vesi pääsi nousemaan rauhallisesti - kairan perässä - ja jäätyi pian paikalleen. Jäätynyt järvivesilieriö nostettiin lopuksi kairan avulla pinnalle.

Jäänalaisen järven pinta on porauskohdassa Vostok-aseman alla noin 3770 metrin syvyydessä. Tutkijat uumoilevat saavansa nyt saadut kiinnostavat vesinäytteet – yhteensä noin 40 litraa – analysoitavaksi toukokuussa.

Asiasta ovat kertoneet mm. New Scientist, RT ja Sputnik International (entinen RIA Novosti). Sputnikin sivulla on myös mainio grafiikka Vostok-asemasta, syvyyksissä olevasta järvestä ja sen poraamisesta.

Kuva: UCLA Center for the Study of Evolution and the Origin of Life

Tutkijat ovat löytäneet tähän mennessä pisimpään muuttumattomana pysyneen eliön. Kyse on rikin kierrolla elävistä bakteereista syvänmeren sedimenteissä.

Ne olivat olemassa samanlaisina ennen kuin kasveista tai eläimistä edes oli tietoa. Eikä evoluutio vaikuta muokanneen bakteereja tuona aikana tippaakaan.

Asia selvisi tutkimuksessa, jossa vertailtiin eläviä ja fossilisoituneita bakteereja, sekä kumpienkin muodostamia kolonioita. Tutkijat eivät löytäneet vartailukappaleiden väliltä kehityksestä kertovia merkittäviä eroja.

Kansainvälinen tutkijaryhmä raportoi löydöstään tiedejulkaisu PNAS:ssa.

Mudassa möyriviä fossiileja

Fossilisoituneet bakteerit elelivät aikanaan syvänmeren pohjan sedimenttikerroksissa prekambrikaudella. Samoihin aikoihin kun planeetan kaasukehän happipitoisuus oli roimassa kasvussa. Samalla myös sulfaattien ja nitraattien pitoisuudet kasvoivat. Bakteerit tarvitsevatkin juuri näitä aineita selvitäkseen ja kukoistaakseen mutaisessa ja suolaisessa ympäristössään. Tai ainakin niiden nykyään elävät sukulaiset.

Nykyisin fossiilit löytyvät kivettyneinä Länsi-Australiasta: Turee Creekin (2,3 miljardia vuotta vanha) ja Duck Creekin (1,8 miljardia vuotta) serttimuodostumista. (Sertti on tiivistä, kovaa ja mikrokiteistä kiveä. Piikivi on eräs serttityyppi.)

Tutkimuksessa fossiileja vertailtiin sekä toisiinsa, että Chilen rannikolta vuonna 2007 löytyneisiin ja yhä vastaavissa oloissa kukoistaviin bakteereihin. Kaikki kolme ovat ulkoisesti identtisiä keskenään. Bakteerisolujen morfologiassa tai eliöiden järjestäytymisessä kolonioihin ei vaikuta kolmessa kohteessa olevan mitään eroja. Tästä tutkijat päättelivät, että eliöt ovat hyvä esimerkki hyvin hitaasta - ehkä jopa täysin pysähtyneestä - kehityksestä.

Bakteerien "muuttumattomuus" on kuitenkin vain tulkintaa ja ominaisuuksien vertailua. Tutkimus ei varmista asiaa aukottomasti, vaan antaa viitteitä muuttumattomuudesta.

Täyden varmuuden muuttumattomuudesta voisi tuoda vain DNA:n ja muun molekyylitason vertailu. Fossiilit eivät kuitenkaan säilö noita tietoja yhtä hyvin kuin muotoja ja laajempia rakenteita - etenkään näin vanhojen fossiilien tapauksessa. Ilman aikakonetta molekyylibiologinen vertailu lienee siis mahdotonta.

Fossiilien tutkimuksessa käytettiin monia eri keinoja. Raman-spektroskopialla päästiin käsiksi kivien sisäiseen koostumukseen ja kemiaan. Konfokaalilaserskannausmikroskoopilla taas saatiin tehtyä teräviä 3D-malleja itse fossiileista.

Muuttumattomuus on todiste evoluutiosta

On ällistyttävää, että mikään eliö pystyisi säilymään muuttumattomana yli kaksi miljardia vuotta - puolet koko planeetan historiasta. Koska evoluutio on kuitenkin havaittu yleinen fakta (kuten vaikkapa gravitaatiokin), näennäisen kehityksen puute vaatiikin nyt selitystä.

Evoluutioteoria tunnetaan enemmänkin lajien muuntumisen kuin muuntumattomuuden selittäjänä. Yksinkertaistettuna: Jotkut muunnokset sopeutuvat paremmin ympäristöön kuin toiset, ja näin hiljalleen lajit muuttuvat ympäristöönsä paremmin sopiviksi. Kyse on kuitenkin saman kolikon kahdesta puolesta. Kun valintapaine puuttuu, muutosta ei tapahdu.

Tutkitut bakteerit olivat jo yli kaksi miljardia vuotta sitten sopeutuneet ympäristöönsä niin hyvin, ettei niiden ole tarvinnut muuttua. Bakteerien perimässä varmaankin tapahtuu mutaatioita, mutta niistä ei ole hyötyä, eivätkä ne tuo kilpailuetua. Näin uudet muodot eivät saa jalansijaa. Populaatio pysyy jotakuinkin ennallaan.

Tutkimus paljasti myös, että sekä fossiilien että nykyisin elävien bakteerien elinympäristötkin vaikuttivat identtiseltä. Tämä on koko mystisen ongelman avain. Merenpohjan sedimenttiympäristöstä lienee - ainakin paikoin - aina löytynyt samanlainen ekolokero bakteereille. Runsaan kahden miljardin vuoden ajan.

Tutkimuksen johtaja J. William Schopf (UCLA) kiteyttää: "Jos ne [bakteerit] olisivat muuttuneet, mutta ympäristö ei, niin se olisi osoittanut että ymmärryksemme evoluutiosta ja luonnonvalinnasta on vakavasti puutteellinen. Tämä sopii erittäin hyvin [Darwinin] ideaan."

Kyse on jälleen näytöstä evoluutioteorian puolesta. Jos sellaista enää kaivattiin.

Lähteet: Tutkimus PNAS-lehdessä sekä Kalifornian yliopiston tiedote