Bakteerien taudinaiheutuskyky on muuttuva ominaisuus

Eletään vuotta 1997. Ensimmäisen vuoden biologianopiskelija kävelee laboratorioon agarmaljan äärelle ja toteaa mikroskooppisten bakteerien lisääntyneen muutamassa tunnissa niin valtavasti, että massan näkee paljain silmin.

Akatemiatutkija Lotta-Riina Sundberg (FT, dos., Jyväskylän yliopisto) muistaa silloiset ajatuksensa: ”Hurjan kiehtovaa! Kiinnostuin myös bakteerien kyvystä aiheuttaa tauteja. Kuinka ne sen tekevät ja mikä saa aikaan tautien oireet?”

Tilaisuus vastausten etsimiseen tuli vuosituhannen taitteessa.  Kalanviljelylaitoksissa oli havaittu Flavobacterium columnare -bakteerin aiheuttama tauti, jonka leviämisestä ja torjunnasta ei tiedetty paljoakaan. Sundberg tutki asiaa väitöskirjassaan. Sen jälkeen, ensimmäisellä post doc -kaudellaan, hän alkoi pohtia bakteerien taudinaiheutuskyvyn evoluutiota.

Sillä tiellä ollaan edelleen, nyt akatemiatutkijana. Sundberg johtaa kuusihenkistä ryhmää Biologiset vuorovaikutukset -huippututkimusyksikössä Jyväskylän yliopistossa. ”Käytän yhä mallilajina kalojen F. columnare -bakteeria, mutta tutkin myös muita bakteereita ja niitä infektoivia viruksia, bakteriofageja eli faageja.”

Bakteerin elämässä on haasteita!

Sundbergia kiinnostaa bakteerien optimaalisen taudinaiheutuskyvyn eli virulenssin synty ja kehitys. Luupin alla ovat erityisesti opportunistit bakteerit, jotka voivat elää ja lisääntyä myös isäntänsä ulkopuolella.

Virulenssin täytyy pysyä juuri sopivan tehokkaana. Liian ”raju” taudinaiheuttaja tappaisi isäntänsä ja samalla itsensä ennen leviämistään. Tämä on tunnettu ristiriita lois-isäntä-suhteessa, mutta se ei välttämättä pidä kurissa isännän ulkopuolella selviytyviä opportunisteja, kuten kolerabakteeria.

Harvan opportunistin bakteerin elämä kuitenkaan on passiivista odottelua uuden isännän infektoimiseksi. Ulkomaailmassa on omat haasteensa ja mahdollisuutensa, joiden aiheuttama voimakas valintapaine ohjaa bakteerien evoluutiota. Kuinka selviytyä esimerkiksi bakteereja saalistavista pieneliöistä ja faageista, jotka iskevät tarkasti vain omiin isäntäbakteereihinsa? Ulkoiset tekijät vaikuttavat myös bakteerien sosiaaliseen käyttäytymiseen, eli yhteistyöhön tai kilpailuun oman lajin sisällä ja eri lajien kesken.

Kaikki edellä mainitut ovat usein kytköksissä taudinaiheutuskyvyn syntyyn ja kehitykseen. Sundbergin ryhmä pyrkii sisällyttämään nämä tekijät mukaan virulenssin evoluution teoriaan.

Bakteerit pannaan koville Sundbergin laboratoriossa. Ryhmä selvittää ympäristötekijöiden vaikutusta geeneihin, jotka mahdollistavat taudinaiheuttajien kyvyn aiheuttaa tauteja.

Kilpavarustelua mikroskooppisessa maailmassa

Sundberg tarkastelee virulenssia toisaalta genetiikan, toisaalta evoluutiobiologian näkökulmasta. Ryhmä tekee sekä teoreettista, kokeellista että soveltavaa tutkimusta.

”Mikrobiologian perusmenetelmillä saadaan perustietoa, nähdään esimerkiksi bakteerien kilpailua kasvatusalustalla. Tietoa syvennetään geenitasolla tutkimalla kokonaisia genomeja ja yksittäisiä geenejä, jotta selviäisi, mitkä geenit ovat taudinaiheutuskyvyn taustalla ja miten ne muuttuvat eri olosuhteissa.”

Taudinaiheutuskyky voi muuttua monin eri mekanismein. Taudinaiheuttajat voivat esimerkiksi saada geenejä toisiltaan, jolloin ne saavat uusia ominaisuuksia tehostamaan infektiivisyyttään. Esimerkistä käyvät sikainfluenssa ja erilaiset E. coli -kannat, kuten EHEC. Toisenlaista mekanismia edustavat ympäristötekijät, sillä tiettyjen bakteerien tiedetään olevan haitallisimmillaan tietyissä olosuhteissa. Erilaiset ympäristötekijät voivat jopa vaikuttaa geenien ilmenemiseen ja näin muuttaa taudinaiheuttajan virulenssia. 

”Kokeellisella evoluutiolla voidaan laboratoriossa seurata esimerkiksi bakteerin ja faagin välistä geneettistä kilpavarustelua, kun bakteeri yrittää muuttua vastustuskykyiseksi ja faagi tehostaa infektiivisyyttään. Samalla pääsemme seuraamaan myös immuniteetin evoluutiota.”

Faagiterapialla bakteereja vastaan

Kalankasvatus tarjoaa hyvän tutkimusympäristön ja samalla sovelluskohteen taudinaiheuttajien tutkimukselle.  

”Tehotuotannon olosuhteet  helpottavat tautien leviämistä. Me tuotamme kaivattua empiiristä aineistoa siitä, miten isäntien hyvä saatavuus vaikuttaa taudinaiheuttajien evoluutioon.”

Faagit astuvat kuvaan tutkimuksen tälläkin saralla. ”Koska tietyt faagit infektoivat ja tuhoavat vain oman isäntäbakteerinsa, niitä halutaan hyödyntää tautien torjunnassa. Tutkimme taloudellisesti merkittävää kalojen taudinaiheuttajaa, joten faagiterapiatutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää suoraan käytännön hoito- ja diagnostiikkasovelluksissa.”

Ryhmä on jo osoittanut faagiterapian toimivan koeolosuhteissa. Jatkossa halutaan kehittää uusia sovelluksia, ja uusia mielenkiintoisia faageja on jo Sundbergin mukaan löytynyt.

Antibiooteille vastustuskykyiset infektiot ovat maailmanlaajuisesti yleistyvä ongelma, joten soveltava tutkimus ja uudet terapiamuodot ovat kuuma aihe. Sundberg kertoo kalanviljelyn olevan oivallinen sovelluskohde, sillä globaalisti kasvavalla elinkeinolla pyritään turvaamaan proteiinipitoisen ravinnon saatavuus. Tulokset kiinnostavat myös kasvi- ja lihatuotantoa, koska taudinaiheuttajat ja niiden evoluutio asettaa haasteita myös näissä tehotuotanto-olosuhteissa.

Tiedon perässä maailmalle matkustaminen liittyy monen tutkijan työnkuvaan. Konferenssit ovat tärkeitä tiedonjaon ja verkostoitumisen kannalta.

 

Alkuaikojen into on säilynyt

Sundberg tietää, että suurimpia haasteita on työn jatkuvuuden varmistaminen – uran kaikissa vaiheissa. Yksi kriittinen tekijä on rahoitus. Hakuprosesseihin kuluu paljon aikaa, eikä rahoituksen saaminen ole taattua.

”Akatemiatutkijana saa rauhan keskittyä tutkimukseen, huippututkimusyksikössä on puitteet monipuolisuuteen. Nyt lisärahoitukseksi saamani Jane ja Aatos Erkon säätiön apuraha mahdollistaa soveltavamman tutkimuksen akatemiaprojektin rinnalla ja uusien tutkijoiden työllistämisen.”

Arkisia työtehtäviä ovat tutkimusryhmän ohjaaminen, käsikirjoitusten kirjoittaminen, muiden tekstien kommentointi, datojen analysointi ja lisärahoituksen hakeminen.

”Teen myös vertaisarviointeja, ja tietenkin seuraan uusinta tutkimustietoa kirjallisuudesta ja tieteellisissä kokouksissa, joissa esittelen myös omaa tutkimusta.”

Sundbergin kiinnostus luonnontieteisiin ja tutkimukseen heräsi jo lukiossa, kun maantiedon opettaja kertoi kiehtovia tarinoita omalta uraltaan. Työ on mieleistä vielä vuosienkin jälkeen, sillä bakteerien monimutkaiset elämäntavat ja nopea uudistumiskyky osaavat edelleen hämmästyttää ja innoittaa kokenutta tutkijaa kuten aikoinaan opintojen alussa.

 

Teksti: Nina Mäki-Kihniä

Kuvat: Petri Papponen, Gilbert Ludwig Valo&Kuva Oy ja kotialbumi

Viimeksi muokattu 3.2.2016

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi