Voiko ekologiaan perustuvaa tietoa hyödyntää ihmisen sairauksien hoidossa?

Mikrobiomeista eli eri elinympäristöissä elävistä mikrobiyhteisöistä ja niiden kollektiivisesta toiminnasta on runsaasti tutkimustietoa. Sen sijaan mikrobien ekosysteemejä säätelevistä ekologisista ja evolutiivisista lainalaisuuksista tiedämme huomattavasti vähemmän, minkä vuoksi esimerkiksi ihmisen sairauksiin soveltuvien mikrobihoitojen kehittäminen on ollut hidasta. Nyt tietoa kartutetaan rakentamalla ja tutkimalla yksinkertaistettuja suolistomikrobien yhteisöjä laboratoriossa.

Julkaistu: 19.5.2022
Kirjoittaja: Shane Hogle
Kuva: Shutterstock

 

Monimutkaisempien elämänmuotojen kehityshistoria ulottuu 500 miljoonaa vuotta ajassa taaksepäin. Kuitenkin mikrobeja eli mikroskooppisen pieniä eliöitä, kuten bakteereja, viruksia, arkeoneja ja eukaryootteja, on maapallolla ollut jossakin muodossa seitsemisen kertaa pidempään. Yksisoluisia eliöitä on planeetallamme kaikkialla kuumista lähteistä radioaktiiviseen jätteeseen. Vaikka nämä organismit ovat huomattavasti ihmissolua pienempiä ja yksinkertaisempia, geenimme ovat yhteisiä. Ihminen polveutuu valtavasta joukosta yksisoluisia eliöitä, ja historian saatossa mikrobien DNA:ta on tallentunut osaksi perimäämme.

Mikrobeja on olemassa tähtitieteellinen määrä. Pelkästään ihmisen kehossa on suunnilleen yksi mikrobisolu jokaista ihmissolua kohti, ja joka tunti kehostamme leviää lähes 40 miljardia mikrobia ympäristöömme. Osa näistä on taudinaiheuttajia, kun taas osa edistää terveyttämme symbioottisten vaikutusten kautta. Mikrobeja on valtavasti, joten myös niiden kollektiivisen toiminnan seuraukset ovat valtavia: esimerkiksi noin puolet hengittämästämme hapesta on peräisin valtamerien mikroskooppisen pienestä, yksisoluisesta kasviplanktonista.


Resilienssi auttaa mikrobiomia häiriötiloissa

Mikrobiologiassa on perinteisesti tutkittu yksittäisten lajien puhdasviljelmiä. Tämä lääketieteestä alkunsa saanut lähestymistapa korostaa fysiologiaa eli soluissa tapahtuvia, elämälle välttämättömiä biokemiallisia toimintoja. Samalla se jättää vähemmälle huomiolle ekologian eli lajien välisen vuorovaikutuksen sekä evoluution eli muutoksen ajan myötä. Vaikka mikrobit eroavat selvästi kasveista ja eläimistä, mikrobiyhteisöt noudattavat yleensä samoja lainalaisuuksia kuin paljain silmin nähtävät eliöyhteisöt. Esimerkiksi elintilasta ja resursseista taistelevilla mikrobeilla kehittyy kyky tuottaa antibiootteja kilpailijoiden kukistamiseksi ja vastaavasti kilpailijat kehittyvät vastustuskykyisiksi antibioottien vaikutukselle. Kuitenkin vasta viime aikoina klassiseen mikrobiologiaan on otettu ekologiasta lähtöisin olevia ajatuksia.

Ekologiset ja evolutiiviset näkemykset vaikuttavat olennaisesti käsitykseemme antibiooteista ja taudeista. Viimeisen sadan vuoden aikana ihmisten tauteja on hoidettu antibiootein eli mikrobilääkkein – niitä on kuitenkin käytetty myös väärin. Nyt tiedämme, että yksi antibioottihoidon seurannaisvaikutuksista on dysbioosi eli muutos, jonka myötä terve mikrobistorakenne joutuu epätasapainotilaan. Esimerkiksi suoliston mikrobiomin dysbioosi mahdollistaa tauteja aiheuttavien ja antibiooteille vastustuskykyisten bakteerikantojen kasvun. Nämä ovat maailmanlaajuisesti ihmiskunnan terveyttä uhkaavia tekijöitä.

Antibiooteista johtuvien häiriötilojen ja taudinaiheuttajien hyökkäyksien torjumisessa mikrobiomia auttaa resilienssi. Resilienssillä tarkoitetaan ekosysteemin kykyä palautua häiriötilasta alkuperäiseen tilaansa. Ekosysteemien tilassa voi tapahtua äkillisiä muutoksia eli niin sanottuja kriittisiä siirtymiä, jos häiriötila ylittää ekosysteemin kantokyvyn. Ne ajavat systeemin vaihtoehtoiseen ja usein hyvinkin erilaiseen stabiiliin tilaan. Kriittiset siirtymät ovat tunnettu ilmiö isoissa ekosysteemeissä: esimerkiksi kalastuselinkeino voi romahtaa liikakalastuksen myötä. Mikrobiologisessa tutkimuksessa kriittisiä siirtymiä ei aiemmin ole juurikaan tarkasteltu. Omassa tutkimuksessamme pyrimme nyt selvittämään, mikä ohjaa ihmisen suoliston resilienssiä.


Mikä ohjaa ihmisen suoliston resilienssiä?

Sakari Alhopuron säätiön myöntämän rahoituksen turvin tiimimme suunnittelee, rakentaa ja kuvaa yksinkertaistettuja suolistomikrobien yhteisöjä laboratoriossa. Tutkimustamme ohjaavat ekologiset ja evolutiiviset periaatteet. Tavoitteenamme on tutkia, millä tavoin makroskooppisiin järjestelmiin liittyvät ekologiset käsitteet ilmenevät bakteerien mikroskooppisessa maailmassa. Pyrimme siis selvittämään, mikä ohjaa ihmisen suoliston resilienssiä ja onko mikrobiston ”terveen” ja ”sairaan” tilan välinen keikahduspiste ennustettavissa.

Tutkimuksessamme etsimme vastauksia muun muassa siihen, millä tavoin biologinen monimuotoisuus vaikuttaa ekosysteemin resilienssiin haitallisten bakteerien hyökkäyksessä ja mitkä ekosysteemin ominaisuudet ovat välttämättömiä taudinaiheuttajien hyökkäyksen onnistumiseksi.  Perimmäinen tavoitteemme on soveltaa ja hyödyntää ekologiaan perustuvaa tietoa ihmisen sairauksien hoidossa. Näin ollen pyrimme tunnistamaan ekologisia ominaisuuksia, jotka suojaavat ihmisen suolistoa taudinaiheuttajien hyökkäystä vastaan.

 

Kirjoitta Shane Hogle.

 

Shane Hogle toimii tutkijatohtorina Turun yliopiston biologian laitoksella. Aiemmassa tehtävässään postdoc-tutkijana MIT-yliopistossa (Massachusetts Institute of Technology) Yhdysvalloissa hän tutki merten syanobakteereita eli sinileviä. Hän suoritti tohtorin tutkinnon oseanografiasta (meritieteestä) Kalifornian yliopiston (UC, San Diego) merentutkimuslaitoksessa (Scripps Institution of Oceanography), missä hän toimi NSF-tutkijana. Väitöskirja oli merikemian ja mikrobiologisen meritieteen alalta.  Perustutkinnon kemiasta hän oli suorittanut Earlham Collegessa (USA). Shane on kotoisin Yhdysvalloista ja asuu tällä hetkellä perheineen Turussa.

 

 

 

Lue lisää