Uusia menetelmiä evoluution ennustamiseen
11.9.2009
Ohjaavatko geenit vai ympäristö evoluutiota ja miksi toiset evolutiiviset ratkaisut ovat toisia suositumpia? Systeemibiologian tutkimusohjelman monitieteisessä hankkeessa paneuduttiin muun muassa näihin kysymyksiin. Evoluutio- ja kehitysbiologiaa, paleontologiaa ja tietokonemallinnusta yhdistämällä saatiin aikaan uusia tutkimusmenetelmiä evolutiivisen kehityksen ennustamiseen.
”Halusimme tutkia systemaattisesti evoluution kehityspiirteitä ja luoda tehokkaita menetelmiä eliöiden ilmiasun analysoimiseen. Malleilla testasimme kuinka hyvin ymmärrämme yksilön kehitystä ja miten voisimme ennustaa evoluutiota”, tutkimuskonsortiota johtanut professori Jukka Jernvall kertoo. Malleina käytetään nisäkkäiden hampaistoa ja tutkimuskohteena on hampaan muoto. Fossiilien hampaita tutkimalla saadaan tietoa evoluutiosta, kehitysbiologian menetelmillä taas päästään kiinni siihen, mitkä tekijät geneettisesti ohjaavat eliöiden kehitystä.
”Hampaan muodosta voi päätellä muun muassa, millainen ympäristö on eri aikakausina ollut ja minkälaista ravintoa eläimet ovat käyttäneet. Kehitysbiologisesti hampaat ovat hyvä tutkimuskohde, sillä niiden toiminta alkaa vasta kun ne ovat täysin kehittyneet eli niiden puhjetessa suuhun. Sen jälkeen hampaiden muotoon vaikuttavat vain ympäristötekijät hampaiden kulumisen kautta.”
Mukaan SYSBIO-ohjelman tutkimuskonsortioon Jernvall sai professorit Irma Thesleffin ja Mikael Forteliuksen. Thesleff on uranuurtaja hampaiden analysointiin käytettävien kehitysbiologisten menetelmien kehittäjänä, Fortelius puolestaan on eturivin ekologisia paleontologeja. ”Suomessa on vahva perinne ekologisen paleontologian ja kehitysbiologian alalla. Näitä vahvoja perinteitä yhdistämällä olemme päässeet nopeasti niin sanotun evo-devo -tutkimuksen ytimeen. Jo ennen kuin siitä tuli maailmalla -ismi”, akatemiaprofessorina ensi vuoden alussa aloittava Jernvall kertoo. Sekä Thesleffiltä että Forteliukselta oppinsa saanut Jernvall on itse noussut nopeasti alan tutkimuksen kansainväliseen kärkeen. Viimeksi tänä vuonna Nature-lehti listasi hänen ryhmänsä tutkimuksen yhdeksi ”evoluutiotutkimuksen jalokivistä.”
Tietokanta sadoista hampaista
”SYSBIO-tutkimusohjelma tuli siinä mielessä hyvään aikaan, että juuri ohjelman perustamisen aikoihin saimme runsaasti yhteydenottoja ulkomaisilta post doc -kandidaateilta. Yksi heistä oli tietokonemallintaja, muut kehitys- ja evoluutiobiologiasta ja niiden vuorovaikutuksesta tai evo-devo -tutkimuksesta kiinnostuneita tutkijoita. Ohjelma mahdollisti heidän rekrytointinsa. Lisäksi saimme vielä yhden post docin Yhdysvalloista NSF fellowship -rahoituksella. Näin meillä oli nopeasti innostunut post doc -ryhmä koossa”, Jernvall kertoo.
Systeemibiologian tutkimusohjelman hankkeessa tutkijat kehittivät uusia menetelmiä analysoida nopeasti ja tehokkaasti hampaiden muotoa. ”Genomeja voidaan nykyään analysoida nopeastikin. Samalla tavalla on tärkeää pystyä analysoimaan tehokkaasti lukuisia fenotyyppejä. Kehitimme hankkeessa kolmiulotteisia mittaustapoja, jotta voisimme tehdä nopeasti sekä molekyylitason että fenotyypin analyysejä.”
”Mallinsimme hampaiden purupintoja, joiden pohjalta kehitimme pinnan monimutkaisuusmitan. Se kertoo hyvin eläimen ravinnon käytöstä. Paleontologisesta näkökulmasta se kertoo siitä, mitä eläimet ovat eri aikakausina syöneet ja kehitysbiologisesta näkökulmasta luonnonvalinnasta. Miten evoluutio toimii ja mitä luonnonvalinta valitsee, kun hampaiden muoto muuttuu.”
Kolmiulotteiset analyysimenetelmät perustuvat ohjelman aikana toteutettuun Morphobrowser-tietokantaan. Tietokanta sisältää satojen mallihampaiden tiedot ja kolmiulotteiset kuvat. Tietokantaan on tallennettu fossiilisia hampaita, jyrsijöiden hampaita, geenimuunneltujen hiirien hampaita ja myös kehittyviä hampaita. Tietokanta toimii geenipankin tapaan ja siitä on tulossa tutkimusalalla eräänlainen standardi, jota myös kansainvälinen tutkimusyhteisö paljon käyttää.
Uuteen tietokantaan perustui myös toinen ohjelman aikana tehty merkittävä tutkimushavainto.
”Tutkimme, kuinka hiiren poskihampaat säätelevät toistensa kehitystä. Pystyimme osoittamaan, että sama pätee myös suurimpaan osaan muista nisäkäslajeista. Loimme matemaattisen mallin, joka kuvaa geneettistä logiikkaa, jonka mukaan hampaiden kokosuhteet muuttuvat ennustetulla tavalla evoluutiossa.”
Uuden tutkimustiedon ansiosta pystytään analysoimaan, mikä on ravinnon vaikutus hampaiden muotoon ja mikä taas yksilön kehityksen osuus. Samalla voidaan tunnistaa yksityiskohtaisesti, mikä osa biodiversiteetistä on yksilön kehityksestä johtuvaa ja mikä osa on ympäristön aikaansaamaa.
Palapelin palaset yhdeksi kuvaksi
Jukka Jernvallin mukaan osallistuminen tutkimusohjelmaan avasi uuden näkymän. ”Vaikka jokaisella tutkijalla oli hankkeessa oma projektinsa, pystyimme liittämään yhteen projektisuunnitelmassa niin, että saimme yksittäisestä työstä enemmän irti. Tutkijat pystyivät hyödyntämään toistensa tutkimustuloksia ja tarkastelemaan samaa aineistoa omasta näkökulmastaan. Pystyimme kysymään samalla aineistolla useita kysymyksiä.”
Jernvall kuvaileekin tutkimuskokonaisuutta palapeliksi, jossa jokaisella tutkijalla on omat kuvansa, jotka lopulta pannaan yhteen yhdeksi kuvaksi. ”Tutkimuksen johtajalla on oltava visio siitä, mikä lopputulos on yhdessä, miten palat sopivat yhteen.”
”Tutkimusohjelma mahdollisti ja pakotti etsimään kunnianhimoisia kokonaisuuksia tavoitteena hyvin suunniteltu tutkimuskokonaisuus.”
Jernvall kantaa kuitenkin huolta siitä, miten suomalaisessa tiedepolitiikassa pystyttäisiin jatkossa paremmin takaamaan ulkomaisten tutkijoiden pitkäjänteinen työskentely Suomessa. Monet SYSBIO-ohjelman aikaisen ryhmän nuoret tutkijat ovat palanneet kotimaihinsa Yhdysvaltoihin ja Australiaan tutkijavirkaurien perässä. Kaksi tutkijaa onnistui saamaan tutkijatohtoripaikan Suomesta. Jernvallin mielestä ulkomaisten tutkijoiden on erityisen vaikeaa hahmottaa tutkijanuramahdollisuuksia Suomessa. ”Ura pitää rakentaa eri rahoitusmuodoista käsin ja pitkäjänteinen urakehitysmahdollisuus puuttuu. Siksi myös tutkimuksen jatkuvuus saattaa katketa. Esimerkiksi nyt rakennamme jälleen uutta ryhmää akatemiaprofessuurin ympärille.”
Akatemiaprofessuurikaudella Jernvall jatkaa samojen kysymysten äärellä kuin tähänkin mennessä. Nyt näkökulma kuitenkin hieman muuttuu. ”Systeemibiologian ohjelmassa kehittämämme mallit toimivat niin hyvin evoluution ennustamisessa, että nyt kysymme, miten ne toimivat solu- ja geenitasolla. Uuden tiimin avulla suuntaamme solubiologian peruskysymyksiin. Evoluutiobiologia esittää meille uusia kysymyksiä ja siksi on mentävä takaisin laboratorioon.”
Teksti: Riitta Tirronen
Kuvat: Olli Häkämies