Mikrobien ja niiden vuorovaikutusta isännän kanssa kutsutaan mikrobiomiksi. Mikrobiomin koostumus on jokaisella yksilöllinen. Mikrobiomi auttaa esimerkiksi elimistön puolustusjärjestelmää torjumaan infektioita. Jos mikrobiomi häiriintyy, elimistö voi altistua sairauksille, kuten diabetekselle.
Datatieteen apulaisprofessori Leo Lahti Turun yliopistosta kehittää tutkimusryhmänsä ja yhteistyökumppaneidensa kanssa koneoppimismalleja, jotka seulovat laajoista datakokoelmista mikrobiryhmiä.
”Sairauksien synnyssä mikrobiomi on vain yksi osanen, mutta se on sellainen osanen, jota ei ole aikaisemmin pystytty tutkimaan näin kattavasti koska vasta nyt meillä on käytössämme tehokkaat mittausmenetelmät,” sanoo Lahti.
Lahden tutkimusryhmä on kartoittanut mikrobeja erilaisista elinympäristöistä ja ekosysteemeistä yhdessä kokeellisten tutkijoiden kanssa.
”Tutkijoilla alkaa olla aika hyvä käsitys mikälaisia bakteerilajeja ja ryhmiä löytyy eri ympäristöistä. Aika paljon on saatu tietoa niiden toiminnasta, tehtävistä ja roolista aineenvaihdunnassa sekä siitä, minkälaisia kemiallisia yhdisteitä ne tuottavat.”
Kaikki bakteerit ja yksisoluiset arkeonit ovat mikrobeja. Mikrobeihin kuuluvat myös levät, alkueläimet, hiivat ja homeet. Mikrobitutkimus on Leo Lahden mukaan kasvanut kovaa vauhtia, kun sekvensointitekniikoiden hinnat ovat tulleet alas. Mikrobinäytteistä sekvensoidaan DNA:ta ja päätellään mitä mikrobilajeja on näytteessä, jos näytteet on kartoitettu aiemmin.
”Nämä näytteet voivat tulla ympäristöstä, ihmisen kehon osista tai ties mistä. Me mittaamme DNA:n pätkiä ja yritämme laittaa palapeliä kasaan. Sitä kautta voimme saada selville minkälainen bakteerikoostumus annetulla näytteellä on. Voimme jopa jäljittää kokonaisia uusia bakteerigenomeja ja löytää aiemmin tuntemattomia lajeja,” sanoo Leo Lahti.
Kaikkein monipuolisin mikrobien ekosysteemi kukoistaa suolistossa. Nykyisen käsityksen mukaan keskikokoisessa ihmisessä on keskimäärin 1-2 kg bakteereita, lukumäärällisesti hieman enemmän kuin ihmissoluja. Ihmisen mikrobistossa on monia eri tasoja, ja ne muodostavat monimuotoisia ekosysteemejä. Mikrobiston koostumukseen vaikuttavat yksilön geeniperimä ja asuinympäristö. Myös elintavoilla kuten ruokavaliolla ja ulkoilulla on osoitettu olevan vaikutusta mikrobien kirjoon. Mikrobien perusteella voidaan nähdä viitteitä esimerkiksi siitä, onko ihminen kasvis- tai lihansyöjä. Leo Lahden tutkimusryhmä on ollut mukana tutkimassa mikrobikirjoa myös eri väestöissä.
”Iso työ on ollut kartoittaa, että mitä lajeja ylipäätään ihmisen mikrobistosta löytyy. Tämä voi vaihdella maantieteellisesti eli missä päin maailmaa yksilö asuu ja kuuluuko hän alkuperäisväestöön tai asuuko hän kaupungissa tai maaseudulla ja minkälainen elintaso hänellä on.”
Kartoitus auttaa hahmottamaan, miten mikrobit kytkeytyvät yksilön terveyteen.
”Tällöin tulee tärkeäksi miten mikrobikirjo pystytään yhdistämään ihmisen tämänhetkiseen ja tulevaan terveydentilaan. Pystytäänkö mikrobiston avulla päättelemään jotakin ihmisen terveydentilasta tai jopa ennakoimaan terveydentilan kehitystä? Ja jos pystytään, niin onko mahdollista muokata mikrobikantoja, jotta ne vaikuttaisivat terveyteen, ja minkälaisia riskejä tai eettisiä näkökulmia tähän liittyy? Laskennalliset ja koneoppimisen menetelmät ovat avainasemassa kun nyt tuotetusta monimutkaisesta datasta kaivetaan tietoa.”
Suomalaiseen THL:n FINRISKI-väestöaineistoon kerättiin vuonna 2002 myös ulostenäytteitä. Nyt voidaan pitkäaikaisseurannan ansiosta tarkastella ihmisten terveydentilan kehitystä kun heidän mikrobistonsa on mitattu. Lahden mukaan tällainen THL:n kokoama väestökohortti on maailmanlaajuisesti ainutlaatuinen.
”Nämä aineistot ovat erittäin arvokkaita koska tällainen tutkimus on hankala tehdä monissa muissa maissa koska niissä ei ole saatavissa vastaavia kattavia väestöaineistorekistereitä. Nyt meillä on valtava määrä näytteitä ja niihin liittyvää terveystietoa, joissa mikrobikoostumus voidaan kytkeä terveydentilan kehitykseen väestötasolla.”
Leo Lahden mukaan joitakin mikrobimittauksia voitaisiin käyttää diagnostiikassa. Niiden perusteella voidaan tunnistaa jokin tietty tauti tai tunnistaa mikrobeja, jotka ennustavat tiettyjen syöpien riskiä. Esimerkiksi mahalaukussa elävä helikobakteeri voi lisätä mahasyövän riskiä.
”Suolistossa on tiettyjä bakteeriryhmiä, jotka ovat tilastollisesti yhteydessä myöhempään sairastumisriskiin. Olemme äskettäin havainneet, että ne voivat ennakoida esimerkiksi kohonnutta kuolleisuusriskiä, maksasairauksia ja tyypin 2 diabetesta. Me emme vielä tunne näiden havaintojen syy-seuraussuhteita, mutta voimme nähdä jo signaaleja vuosia aikaisemmin ennen kuin henkilö sairastuu.”
Tutkimustuloksia on julkaistu kokonaiskuolleisuudesta, maksasairauksista ja tyypin 2 diabeteksesta.
”Nämä ovat isoja sairausryhmiä, joita tutkitaan tosi paljon muutenkin. Vaikka niihin liittyvät pitkät tutkimusperineet, mikrobiomi on tuonut uuden kulman näiden sairauksien ymmärtämiseksi. Mikrobeilla on rooli aineenvaihdunnassa. Mikrobien kehoon tuottamilla yhdisteillä voi olla merkittävä rooli näissä sairauksissa ja immuunijärjestelmissä.”
”Kun olemme saaneet lisää tietoa siitä mitä nämä mikrobit tekevät ja mitä mikrobeja elimistössä on, meillä on paremmat mahdollisuudet ymmärtää niitä mekanismeja jotka vaikuttavat sairauksien syntyyn. Tämä voi auttaa kehittämään uusia tapoja hillitä sairauksien vaikutuksia tai ehkäistä riskiä niiden syntymiseen.”
Lahden mukaan valtava lääketieteellinen kiinnostus kohdistuu tällä hetkellä mikrobiomeihin, koska elintapojen muutosten ja monien yleistyneiden tautien on havaittu kytkeytyvän mikrobitasapainon vaihteluun. Tämän lisäksi esimerkiksi antimikrobiresistenssi on yksi kasvava terveysongelma. Se tarkoittaa bakteerien lisääntynyttä vastustuskykyä antibiootteja kohtaan. Se on johtava kuolinsyy lähivuosikymmeninä.
Leo Lahden tutkimusryhmä seuloo suurista datamassoista tietoa ja yhdistää eri lähteistä saatavaa tietoa. Koska datamassojen koko kasvaa jatkuvasti, ne pitää järjestää ja organisoida, jotta niistä saataisiin ymmärrettäviä. Tällaisella analyysilla on monta laskennallista vaihetta. Ensin data pitää esikäsitellä ja DNA-pätkät yhdistää, jotta nähdään mistä lajeista ne ovat peräisin ja missä suhteissa niitä esiintyy eri näytteissä. Tämän jälkeen voidaan alkaa selvittää tarkemmin mikrobikoostumuksen yhteyksiä esimerkiksi elinympäristöön ja terveydentilaan.
”Data voi olla monimutkaista. Se voi olla hierarkista ja siinä voi olla ajallinen tai paikallinen rakenne. Siksi tarvitaan uusia laskennallisia menetelmiä. Esimerkiksi koneoppimisen menetelmät ovat hyviä, koska ne vähentävät ihmisen intervention tarvetta eli voimme merkittävän osan siitä päättelystä automatisoida ja siirtää koneiden suoritettavaksi.”
Leo Lahden mukaan menetelmillä, joilla voidaan avustaa ihmisiä kvantitatiivisten päätelmien tekemisessä, on iso rooli biolääketieteen tutkimuksessa.
”Tietoa on koottu tietokantoihin. Ja kun me analysoimme uusia näytteitä me haluamme yhdistää tämän mittausten tiedon tietokannoissa jo oleviin tietoihin. Tätä uutta tietoa pitää tulkita tämän aiemmin kerätyn ja karttuneen tiedon kontekstissa.”
Kun mikrobilajeja tutkitaan, on Lahden mukaan tärkeää ymmärtää, miten ne toimivat yhdessä kokonaisena ekosysteeminä ja vuorovaikuttavat ihmiskehon kanssa. Mikrobiryhmien perimän sekvensointi ja tietojen yhdistäminen vaativat massiivisia laskenta- ja tallennusresursseja.
”Jotta saisimme sekvenssitietomassasta ymmärrettävää aineistoa, jota voidaan oikeasti lähteä tilastollisesti analysoimaan, se edellyttää CSC:n tarjoamia resursseja. Kasvavassa määrin käytämme näitä palveluja yhteistyöalustana. Voimme rakentaa yhdessä muiden tutkimusryhmien kanssa työvirtoja, jolloin data on CSC:n kautta saatavissa ja analyysiympäristö yhdessä paikassa eli CSC:n palvelimilla. Tärkeä on myös päästä CSC:n kautta ELIXIRin tarjoamiin bioinformatiikan dataresursseihin. Me myös kasvavassa määrin käytämme näitä palveluja laskennallisten menetelmien koulutuksessa.”
Ari Turunen
30.6.2022
Lue artikkeli PDF-muodossa
Sitaatti
Ari Turunen, Leo Lahti, & Tommi Nyrönen. (2022). Studying the human microbiome is a key towards holistic understanding of our health. https://doi.org/10.5281/zenodo.8154534
Turun yliopisto
CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy
on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
ELIXIR
rakentaa infrastruktuurin bioalan tutkimuksen tueksi. Se yhdistää 21 Euroopan maan ja Euroopan molekyylibiologian laboratorion EMBL:n johtavat organisaatiot yhteiseksi biologisen informaation infrastruktuuriksi. Sen Suomen keskus on CSC –Tieteen tietotekniikan keskus Oy.
ELIXIR is partly funded by the European Commission