Elixir logo

THL, HUS ja CSC yhteistyöhön edistämään genomitiedon hyödyntämistä terveydenhuollossa

Tavoitteena kansallinen palvelu perimästä saadun datan hyödyntämiseen terveydenhuollossa

Parempaa satoa luvassa? Myös data kerätään jatkossa talteen

Mikrobit ja ilmastonmuutos

Suomalaisten koko perimä talteen? Datasta hyötyä tautien tutkimiseen

Molekyylidatasta saadaan paljon hyötyä tautien tutkimiseen

ELIXIR esittelee uudessa julkaisussaan neljä tiedealaa, jotka hyödyntävät sen palveluja

Proteiinien rakenteen selvittämisen avulla uusia lääkemolekyylejä

Tulevia tapahtumia

BBMRI.fi: yhteinen biopankkien IT-infrastruktuuri

BBMRI.fi: yhteinen biopankkien IT-infrastruktuuri

Saimaannorppa apuna populaatioiden perimän tutkimisessa

"No country can manage in isolation"

BioSB RNA- seq data analysis course (5th edition) Mon 07- 09.09.2015 Leiden, Netherlands

ELIXIR Curation Hackathon I :. Registration of Tools & Data Services November 19 - 21, CBS-DTU, Denmark

ELIXIR Innovation and SME Forum: Turning big data into growth. University of Copenhagen, Denmark, Nov 24-25, 2014

ELIXIR Denmark - First Annual Danish Bioinformatics Conference, Odense, Denmark, Aug 27-28, 2015

The EMBO conference: "The biochemistry and chemistry of biocatalysis: From understanding to design" June 12 (Sunday) to June 15 (Wednesday) 2016, University of Oulu, Oulu, Finland.

Web-mikroskooppi tallentaa kudosnäytteet pilveen

Saimaannorppa apuna populaatioiden perimän tutkimisessa

ELIXIR uutiskirje on ilmestynyt!

Web-mikroskooppi tallentaa kudosnäytteet pilveen

Mustit ja Murret ihmissairauksien geenilöytöjen takana: koirageenitutkimus hyötyy ELIXIRin tietokannoista

Majakat valaisevat väylää genomitutkimuksen dataan

Biotiedettä eurooppalaisessa pilvessä

CSC cPouta Cloud Course 01.06.2015

ELIXIR nousuun merkittävän Horisontti 2020 -rahoituksen turvin

ELIXIR Suomen keskuksen avajaiset 4.5.2015

ELIXIRILLE rahoitusta Suomen Akatemialta

Suomi liittyi ELIXIR-infrastruktuuriin

How to Utilize New CSC Computing Resources in Your Research 19.8 2014

Internal Workshop on Membranes - From Fundamentals to Applications 19.8-22.8 2014

CSC johtaa arkaluontoisen datan pohjoismaista projektia

CSC avasi Pouta-pilvipalvelun: palvelu avoin myös biotieteille

ELIXIR hyödyntää uutta nopeaa tietoliikenneyhteyttä Viron ja Suomen välillä

Schrödinger workshop for computational modeling of protein-ligand interactions and biologics 4.4.2014

CSC Spring School in Bioinformatics 31.3-3.4.2014

14th SocBiN annual conference in bioinformatics 11-13.6.2014

BioMedBridges RDF Workshop 29-30.4.2014

ICRI 2014, 2-4.4.2014

2nd BiomedBridges Annual General meeting 10-12.3 2014

ELIXIR laillisesti toimintaan

ELIXIR Founding Ceremony and Launch Event 18.12.2013

ELIXIR UK Training Workshop 4.10.2013

Federated Identity Management for Research Collaborations in Helsinki 2.10.2013

ISMB-ECCB 21.6.2013

INSTRUCT Biannual Conference 22.5.2013

ESFRI Workshop on EU Structural Funds 15.5.2013

Enlighten Your Research Global palkinto: samoja virtuaalikoneita eri pilvipalveluihin

FIMM laajentaa laskentainfrastruktuuriaan genomi- ja kuvantamistutkimuksen tarpeisiin

REMS: Työkalu tutkimusdatan ja tietokantojen hallintaan

Bio-IT world Europe

Bioinformatics with large data-sets

BioMedBridges Kick-off Meeting

EUDAT User Forum

ICRI 2012

Next generation sequencing data analysis with Chipster

Next generation sequencing data analysis with Chipster

Next generation sequencing data analysis with R/Bioconductor

ESOF 2012

ECCB'12

Seminar at HY/Vi: New CSC computing resources

Seminar at OY/BL: New CSC computing resources

Seminar at HY/Meilahti: New CSC computing resources

Iaas in Life Science Research

CoPoRi Exchange of Experience Workshop

CSC Winter School in Bioinformatics 2013

PAERIP

Marine Biotech conference

ELIXIR-UK/GOBLET Training Workshop

BioMedBridges piti ensimmäisen kokouksensa

Niklas Blomberg ELIXIRin johtajaksi

ELIXIR eNewsletter ilmestynyt

ELIXIR eNewsletter ilmestynyt

CSC isännöi Ewan Birneyn vierailua

Euroopan kattava bioinformatiikan infrastruktuuri

Pilvilaskennasta lisätehoa biotutkimukseen

Eduroam leviää vauhdilla

Suuritehoinen tietoliikenneyhteys

Suomi investoi biolääketieteen tutkimusinfrastruktuuriin

Kalmar2

Kalmarin unioni

Mikrobit ja ilmastonmuutos

Geenitutkimus on paljastanut, että mikrobeja on huomattavan paljon enemmän ja niiden yhteisöt ovat monimuotoisempia kuin tiedämmekään. Mikrobiyhteisöjen genetiikan tutkiminen synnytti uuden biotieteen alan, metagenomiikan. Jenni Hultman tutkii, mikä merkitys arktisten alueiden mikrobistolla on ilmastonmuutoksessa.

Mikrobit tai mikro-organismit ovat yksisoluisten tai muutamasta solusta muodostuneiden eliöiden yleisnimitys. Niitä ovat bakteerit, alkueläimet, virukset ja yksisoluiset levät. Vaikka mikrobeja esiintyy kaikkialla elinympäristössämme ja myös ääriolosuhteissa, niiden geneettistä alkuperää ja toimintaa tunnetaan edelleenkin huonosti. Suurinta osaa mikrobeista ei tunneta.

Termillä metagenomi tarkoitetaan sitä, että joukko ympäristöstä noukittuja ja sekvensoituja geenejä voidaan analysoida samalla tavoin kuin yksittäisen lajin genomia eli perimää. Metagenomiikan avulla voidaan selvittää mikrobiston muutoksia eri sairauksien aikana ja hoidon jälkeen, löytää uusia taudinaiheuttajia ja saada tietoa niiden toiminnasta esimerkiksi lääkityksen aikana.
Metagenomiikan avulla voidaan tutkia myös, miten mikrobit vaikuttavat elinympäristöömme.

Arktinen mikrobiologia

Jenni Hultman pitää kädessään näytettä, joka sisältää kymmeniä tuhansia eri mikrobeja.

Metagenomiikassa DNA eristetään mikrobiyhteisöstä. Tämä on ollut suhteellisen helppoa, kun mikrobeja on tutkittu esimerkiksi suolistossa ja vesistöissä.

Maaperän tutkiminen on huomattavasti haasteellisempaa johtuen mikrobien suuresta määrästä yksittäisessä näytteessä. Yhdessä näytteessä voi olla jopa 10 000 eri lajia. Koska eri mikrobien DNA:ta voidaan uusien tekniikoiden avulla eristää maaperästä, mikrobien tutkimus elää jatkuvaa murrosta. Koko ajan saadaan uutta tietoa eliöistä ja myös itse elämän synnystä Maapallolla. Mikrobiyhteisöt ovat kuitenkin haasteellisia tutkittavia. Mikrobien monimuotoisuus on valtava ja ne myös vaikuttavat toisiinsa tavalla, joita ei kunnolla vielä tunneta.

”Perinteisesti mikrobeja on kasvatetty petrimaljoissa. Mutta nyt kyseessä on valtava määrä tutkittavaa, koska kohteena ovat mikrobiyhteisöt, joissa eri mikrobit ovat riippuvaisia muista mikrobeista tai ravinteista. Tällaisia yhteisöjä ei voida kasvattaa maljoilla. Nyt tarkoitus on sekvensoida valtaosa maaperänäytteessä olevat geenit. Vaikka saataisiin selville, mikä laji on kyseessä, tärkeää on myös tietää, mitä sen geenit tekevät. Koska mikrobiyhteisöstä sekvensoidaan jopa miljoonia geenejä, tähän tarvitaan laskentatehoa,” sanoo akatemiatutkija Jenni Hultman.

Hultman on kiinnostunut erityisesti arktisten alueiden mikrobistosta. Koska mikrobit toimivat hajottajina luonnossa, niillä voi olla merkittävä rooli kasvihuonekaasujen, kuten hiilidioksidin ja metaanin muodostumisessa. Metaanin vaikutus kasvihuoneilmiöön on lyhyellä aikavälillä monikymmenkertainen hiilidioksidiin verrattuna.

”Arktisten ympäristön mikrobeja ei tunneta hyvin. Ne voivat vaikuttaa siihen miten ilmasto ja olosuhteet muuttuvat. Kysymyksiä on paljon. Miten luonto sopeutuu ilmastonmuutokseen? Mitä lajit tekevät kun ilmasto muuttuu?”

Kun ikiroudan alla olevat turvesuot alkavat sulaa, syntyy erityisesti metaanipäästöjä. Mutta minkälainen merkitys mikrobeilla on tässä prosessissa? Tämän Hultman haluaa selvittää.

Helsingin yliopiston Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitoksella työskentelevä Hultman kerää tutkimusaineistoa mikrobeista eri puolilla pohjoista pallonpuoliskoa. Tutkimuksessaan Hultman analysoi maaperänäytteitä Kilpisjärvellä, Alaskassa ja Grönlannissa. Nyt hän etsii mittauspaikkaa Siperiasta, jolloin hänen keräämänsä näytteet edustaisivat hyvin koko pohjoista pallonpuoliskoa.

”20% Maapallon maapinta-alasta on ikiroudan peitossa. Ikiroudan sisällä ovat valtavat hiilivarastot. Ikiroudan sulaessa voi ilmakehään voi vapautua suurimmat hiiidioksidimäärät, mitä on ikinä mitattu.
Tämä prosessi on riippuvainen mikrobisesta vasteesta, mutta tällä hetkellä tiedämme vähän mikrobien aktiivisuudesta ikiroudan alla.”

Ilmastomalleihin dataa

ELIXIR osallistuu Tara Ocean-projektiin, jossa tutkitaan valtamerien mikrobeja. Vedestä voi filtteröidä helposti mikrobeja ja saada kattavan näytteen. Mutta kun kerää maaperästä näyteittä, pitää tehdä rinnakkaisia eristyksiä maaperän heterogeenisuuden vuoksi, jotta saadaan riittävä määrä kunnollisia näytteitä.

Hultman on kiinnostunut mikrobiyhteisöjen aktiivisuudesta ja erityisesti siitä, mitä mikrobiyhteisöjen geenit tekevät (metagenomiikka) ja kuinka aktiivisia yhteisöjen geenit tietyllä hetkellä ovat (metatranskriptomiikka).

Hultman eristää Kilpisjärven kenttäalan maaperänäytteistä kokonais-DNA:n ja RNA:n, pilkkoo ne pienemmiksi paloiksi ja sekvensoi ne. Hän eristää DNA:n ja RNA:n 0,5 gramman näytteistä. Näytepisteiden määrä on yli sata. Alueella on mikroilmasto, jolloin Hultman voi ottaa huomioon eri tekijöitä, kuten kosteuden, pH-arvon ja lämpötilan. Näin voidaan tutkia mikrobiyhteisöjen aktiivisuuden merkitystä ilmastonmuutoksessa ”mini-ilmastonmuutos”-skaalalla.

”Rinnakkaisia puolen gramman näytteitä tarvitaan paljon koska maaperän mikrobisto on monimuotoista ja koska maaperä itsessään vaihtelee paljon. Mikrobit voivat esiintyä kivessä, kuolleessa madossa, kasvin juuressa tai vain kosteammassa paikassa kuin joku toinen. Eli paljon on kaivettavaa ja eristettävää.”

Olennaista on tietää, mitä mikrobien geenit aktiivisesti tekevät ja miten ne vaikuttavat
ilmastonmuutokseen.

”Tutkin mitä maanäytteessä tapahtuu tällä hetkellä. Mitkä ovat aktiivisia geenejä? Kiihdyttääkö osa mikrobeista ilmastonmuutosta ja osa jarruttaa? Tuottavatko mikrobit pelkästään metaania vai hyödyntävätkö ne sitä?”

Hultmanin tutkimuksen yhtenä tärkeänä tavoitteena on tuottaa metagenomiikasta saatua dataa myös ilmastomalleihin. Näin voidaan mahdollisesti parantaa ilmastomallien luotettavuutta.

Vain prosentti saadaan kasvamaan laboratorioissa

Yhdessä grammassa maaperää voi olla jopa kymmenen miljardia erilaista mikrobia. Kun mikrobiekologian tutkimus kunnolla alkoi 1970-luvun lopulla ja ympäristöstä otettuja mikrobinäytteitä verrattiin viljeltyihin mikrobinäytteisiin, havaittiin, että ympäristöstä saaduissa näytteissä oli jopa 99% enemmän uusia ja tuntemattomia mikrobeja kuin viljelynäytteessä.

Perinteisesti geenien sekvensointi alkaa kasvattamalla soluja petrimaljassa. Kun DNA-sekvensseriin laitetaan soluista saatua DNA:ta, sekvensseri selvittää DNA-emäsparien eli adeniinin, guaniinin, sytosiinin ja tymiinin järjestyksen. Varhaiset metagenomiset tutkimukset paljastivat kuitenkin, että on isoja mikro-organismien ryhmiä, joita ei voi kasvattaa laboratorioissa ja niitä ei voida siten sekvensoida.

Varhaiset tutkimukset keskittyivät 16S rRNA-geenin tuottamiin sekvensseihin. Kaikissa elollisissa olennoissa tavatun 16S rRNA:n tehtävänä on tuottaa ribosomeja, jossa proteiinisynteesi tapahtuu. Vuonna 1977 mikrobiologi Carl Woese aloitti tämän geenin sekvensoinnin tutkiessaan mikrobeja. Koska geeni on aina hieman erilainen eri mikrobeilla, Woese huomasi, että sitä voi käyttää näytteiden mikrobiston kehityshistorian tutkimisessa. Woese ja hänen kollegansa George E. Fox kuitenkin yllättyivät, kun monet eristetyt 16S rRNA-sekvensseistä eivät kuuluneet mihinkään tunnettuun eliölajiin. 16S rRNA-geenin avulla tehdyt löydöt mullistivat mikrobien tutkimuksen.

Woese ja Fox havaitsivat että näytteistä löytyi myös yksisoluisia, mutta tumattomia mikro-organismeja, jotka muistuttivat ulkoisesti bakteereja, mutta eivät olleet niitä. He kutsuivat tätä ryhmää arkeoneiksi.

Arkeonit osallistuvat aineenvaihduntaan ja vaikuttavat entsyymien toimintaan. Aluksi arkeoneja havaittiin vain äärimmäisissä olosuhteissa, kuten kuumissa lähteissä ja suolajärvissä, mutta sittemmin niitä on löydetty esimerkiksi myös eri maalajeista, marskimailta, valtameristä ja jopa ihmisen suolistosta.

Näin eliöt voitiin jakaa kolmeen luokkaan. Eukaryootit eli monisoluiset kasvit, sienet ja eläimet kuuluvat aitotumaisiin. Bakteerit ja arkeonit taas ovat tumattomia mikrobeja, joista suurin osa maailman biodiversiteetistä koostuu.

”Koska DNA:n sekvensoiminen halpenee koko ajan, metagenomiikka mahdollistaa mikrobeiden tutkimuksen paljon suuremmalla skaalalla ja yksityiskohtaisemmin kuin aiemmin”, Jenni Hultman
toteaa.

Salaperäisillä arkeoneilla voi olla suurempi rooli metaanin muodostumisessa kuin aiemmin on tiedetty. Osa arkeoneista hajottaa orgaanisen hiilen metaaniksi. Mutta kuinka paljon tällaisia arkeoneja on ja kuinka tehokkaita hajottajia ne ovat?

Jenni Hultmanin ja muiden tutkijoiden keräämä data mikrobiomin salaisuuksista tallennetaan julkisiin tietoresursseihin, joita ylläpitää ELIXIR, Euroopan bioinformatiikan infrastruktuuri.

Ari Turunen (19.6.2017)

Artikkeli PDF-muodossa

CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy

CSC on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
http://www.csc.fi
https://research.csc.fi/cloud-computing

 

Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos, Helsingin yliopisto
http://www.helsinki.fi/elintarvike-ja-ymparisto/

 

 

CSC
Elixir europe
Biomedinfra