Mikä ohjaa mikrobipopulaatioiden koostumusta?

Vaikka mikrobiekologia vaikuttaa terveyteemme ja kaikkien ekosysteemien toimintaan, tiedämme siitä varsin vähän. Nyt tehokkaat DNA-sekvensointitekniikat avaavat tutkijoille uusia mahdollisuuksia mikrobimaailman tutkimiseen. Niiden avulla kertyvän tiedon hyödyntäminen ja tulkinta on kuitenkin haasteellista. Mikrobipopulaatioiden koostumusta ohjaavia tekijöitä pyritään selvittämään tilastollisten mallien avulla.

Julkaistu: 17.3.2022
Kirjoittaja: Guilhem Sommeria-Klein

Kuvituskuva: Christian Sardet, Tara Ocean Foundation.

 

Mikrobit eli pieneliöt ovat vanhin elämänmuoto planeetallamme. Mikrobeja esiintyy kaikkialla, ja lajiston monimuotoisuus on suuri. Muut eliöt, kuten kasvit ja eläimet, ovat mikrobien kasvualustaa, ja mikrobeilla on olennainen merkitys muiden eliöiden elinkaaressa. Ihmisen iholla ja limakalvoilla elävät mikrobipopulaatiot vaikuttavat ihmisen terveyteen, ja erityisesti näistä yhteyksistä saadaan jatkuvasti lisää tutkimustietoa. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on havaittu mikrobiston koostumuksen liittyvän moniin eri sairauksiin ja siihen, miten ihminen sopeutuu ympäristöön. Ihminen voi myös hyödyntää mikrobeja esimerkiksi jätevesien käsittelyssä tai hapattamalla valmistettujen ruokien tuotannossa.

Mikrobit vaikuttavat terveyteemme ja hyvinvointiimme monien erilaisten ekosysteemien kautta. Mikrobeilla on perustavanlaatuinen tehtävä kaikissa ekosysteemeissä, sillä ne hajottavat orgaanista ainesta ja kierrättävät ravinteita. Maalla mikrobit ovat avainasemassa metsien, laidunmaiden ja viljelyspeltojen maaperän tuottavuuden ylläpitämisessä. Valtamerien mikrobit tuottavat noin puolet Maan ilmakehän hapesta, ja ne ovat merien ravintoverkon ja kalakannan perusta. Lisäksi mikrobien toiminta ohjaa suurta osaa globaalista biogeokemiallisesta kierrosta, kuten hiilikiertoa, ja on siten avaintekijä kasvihuonekaasujen vapautumisessa ja varastoinnissa.

 

Tilastolliset mallit helpottavat laajojen data-aineistojen tulkintaa

Mikrobeja on viime aikoihin asti kyetty tutkimaan lähinnä in vitro -menetelmin, mikä ei ole kuitenkaan ollut mahdollista kaikkien lajien osalta, ja ne ovat tuottaneet vain rajoitetusti tietoa luonnossa esiintyvistä mikrobipopulaatioista. Ekosysteemien mikrobikomponentit ovat näin ollen jääneet melko tuntemattomiksi huolimatta niiden suuresta merkityksestä ekosysteemien toiminnalle ja ihmisen terveydelle. Mikrobien tutkimus on kuitenkin muuttunut ratkaisevasti viimeisten 20 vuoden aikana tehokkaiden DNA-sekvensointitekniikoiden kehittämisen myötä. Nykyiset laitteistot mahdollistavat mikrobipopulaatioiden koostumuksen määrittelyn kaikenlaisista ympäristönäytteistä. Näin meillä on käytössä jatkuvasti lisääntyvää dataa mikrobipopulaatioiden koostumuksesta eri ympäristöissä, kuten maaperässä ja valtamerissä, sekä erilaisten isäntäeliöiden mikrobistosta.

Mikrobiekologiaa koskevaa tietämystä ei siis enää niinkään rajoita data-aineiston puute vaan sopivien tulkintamallien puute. Tutkimustiimimme tavoitteena on rakentaa tilastollisia malleja laajojen mikrobeja koskevien data-aineistojen ekologista tulkintaa varten. Käyttämämme mallinnusperiaatteet ovat peräisin tieteenaloilta, joilla analysoidaan rakenteellisesti vastaavia tietoaineistoja, sekä klassisesta ekologiasta, koska mikro- ja makro-organismien populaatioita ohjaavat ekologiset prosessit ovat perusteiltaan samoja. Käytämme probabilistisia malleja eli matemaattisia todsennäköisyysmalleja, joilla voidaan ennustaa tulosten todennäköisyysjakauma determinististen lopputulosten sijaan. Verrattuna suosittuihin koneoppimista hyödyntäviin lähestymistapoihin näiden mallien avulla voidaan selvittää ekologisia prosesseja tekemällä tilastollista päättelyä datasta.

Sovellamme kehittämiämme menetelmiä laajoihin tietoaineistoihin ihmisen suolistomikrobien ja valtameriplanktonin koostumuksen kuvaamiseksi. Pyrimme ymmärtämään näiden ekosysteemien mikrobipopulaatioiden rakennetta, ekologista roolia ja dynamiikkaa sekä määrittelemään niiden koostumusta ohjaavia tekijöitä erilaisilla tila- ja aika-akseleilla. Tutkimalla näennäisesti hyvinkin erilaisia ekosysteemejä pyrimme löytämään yhtenäisen näkökulman mikrobiekologiaan, jolla on merkittävä vaikutus moniin eri asioihin aina ihmisten terveydestä valtamerten ravintoketjuun ja globaaliin hiilikiertoon.

 

 

Kuva kirjoittajasta.

 

Guilhem Sommeria-Klein työskentelee tutkijatohtorina Turun yliopiston tietotekniikan laitoksella. Suoritettuaan maisterin tutkinnon fysiikassa hän väitteli tohtoriksi Toulousen yliopistossa Ranskassa vuonna 2017. Ekologian alaan kuuluva väitöskirjatyö käsitteli teoreettisten ekologisten mallien yhdistämistä ympäristönäytteisiin perustuviin DNA-aineistoihin trooppisten metsien maaperän biodiversiteetin tutkimuksessa. Postdoc-tutkijana Pariisin École Normale Supérieure -yliopistossa hän selvitti eukaryoottisen planktonin maantieteelliseen levinneisyyteen (biogeografia) globaalisti vaikuttavia tekijöitä.

 

 

 

 

 

Lue lisää:

https://www.utu.fi/en/news/press-release/mapping-eukaryotic-plankton-globally-in-all-their-diversity

 

Lue lisää