Luonnonvarakeskuksen erikoistutkija Jenni Hultman on kiinnostunut kylmän ilmaston mikrobiyhteisöistä, joilla voi olla myös vaikutusta maapallon ilmastoon. Tundralta löytyy esimerkiksi kasvihuonekaasu metaania syöviä bakteereja ja arkeoneja.
Nyt on saatu myös selville, että tundra on tärkeä kasvihuonekaasujen kuten dityppioksidin lähde. Mikro-organismit, jotka osallistuvat sen tuottamiseen, ovat kuitenkin suurilta osin entuudestaan tuntemattomia. Vaikka saataisiin selville, mitkä mikrobilajit ovat kyseessä, tärkeää on myös tietää, mitä niiden geenit tekevät.
Metagenomiikalla tarkoitetaan kokonaisen yhteisön geenien tutkimista. Termi yleensä viittaa näytteessä olevien bakteerien genomeihin, mutta se tarkoittaa myös muiden mikro-organismien, kuten arkeonien ja sienten ja myös näytteen eukaryoottien perimää. Metagenomiikan menetelmillä voidaan tutkia ja sekvensoida useita eliöitä samanaikaisesti samasta näytteestä. Hultman kollegoineen sekvensoi mikrobiyhteisöistä jopa miljoonia geenejä. Siihen tarvitaan Suomen ELIXIR-keskuksen CSC:n laskentatehoa, koska data-aineistoa on teratavuja.
”Olemme saaneet selville, millaisia mikrobeja subarktisella alueella on ja mitä ne tekevät. Data-aineiston käsittely on vienyt tolkuttoman määrän laskentaresursseja. Löysimme paljon tuntematonta mikrobistoa ja tuntemattomia geenejä.”
Näytteistä saatuja DNA-sekvenssejä on analysoitu ja pyritty tunnistamaan uusia lajeja ja sukulaisuussuhteita. RNA-sekvenssejä analysoimalla on puolestaan selvitetty, mitä mikrobiyhteisöt tekevät näytteenottohetkellä.
”Olen erityisen innoissani, että pääsin käymään talvella näillä samoilla paikoilla. Nyt pystytään selvittämään vuodenaikaisvaihtelua eli mitä mikrobiyhteisöissä tapahtuu kesällä ja talvella ja miten lämpimät syksyt vaikuttavat mikrobitoimintaan.”
Hultman vertaili mikrobiyhteisöistä löydettyjä uusia sekvenssinpätkiä tietokannoissa oleviin.
”Usein tietokannoissa ei samanlaisia sekvenssejä ollut löydettävissä. Suurin osa, yli 90% geeneistä oli tuntemattomia.”
Suomen Lapista, Kilpisjärveltä ja Pallakselta kerättyä mikrobidataa vertailtiin muihin datalähteisiin, kuten Alaskasta ja Ruotsista saatuun dataan. Suurin osa maapallon eliöistä on mikrobeja. Vaikka niitä tavataan kaikkialla ja kaikissa oloissa, on suurinta osaa niistä vaikea viljellä laboratorioissa. Niiden tutkimiseksi tarvitaan uusia tekniikoita, joista yksi on metagenomisekvenssin kokoaminen yhteen. Metagenomista koottu genomi eli MAG (metagenome-assembled genome) on rakennettu metagenomidatasta saadusta näytteestä. Toisin sanoen näytteestä, joka sisältää monia genomeja, yksittäisen lajin genomi palastellaan yhteen. Tämä MAG-data antaa uutta tietoa sellaisista mikrobilajeista, joita ei ole tallennettu ja annotoitu tietokantoihin.
Jenni Hultmanin tutkimuksissa kerättiin yli 800 erilaista MAGia ja vain muutama prosentti näistä oli aiemmin tunnettuja. Yksi mielenkiintoinen MAG oli tuntematon ammoniakkia hapettava arkeoni. Ammoniakkia hapettavat mikrobit ovat tärkeitä tekijöitä typen kierrossa.
”Tuntematonta arkeonia löydettiin ensin kahdesta data-aineistosta, Norjasta ja Suomen Kilpisjärveltä. Sitten kun aloimme selvittää mistä löytyisi vastaavia sekvenssejä metagenomeista, selvisi, että niitä löytyi Kanadasta ja Abiskossa Ruotsissa. Tarkemman tutkimuksen avulla tätä yhtä tiettyä arkeoni-sukua löydettiinkin maapallon molemmilta navoilta. Kiehtova ajatus, että tämä arkeoni-suku oli erikoistunut elämään navoilla ja on tärkeää mainita datan avoimuuden ja saatavissa olevien tietokantojen kautta päästiin tämän arkeoni-suvun jäljille. Arktisilta alueita voi löytyä paljon sellaisia mikrobeja, joista voi olla hyötyä aineiden kierrossa.”
Tällaisia ovat mikrobien tuottamat entsyymit eli proteiinit, jotka nopeuttavat kemiallisia reaktioita.
”Mikrobit pystyvät tuottamaan tehokkaasti paljon entsyymejä kylmissä olosuhteissa. Nämä ovat bioteknisesti kiinnostavia yhteisöjä. Tuotamme isoja avoimia tietokantoja näistä lajistoista, sekvensoimme kaikki ja olemme selvittäneet jo yli tuhat genomia. Entsyymiprosessit voivat olla kiinnostavia, koska kylmissä olosuhteissa on edullisempaa kasvattaa mikrobeja, jotka tuottavat entsyymejä.”
Yhtenä esimerkkinä Hultman mainitsee mikrobeista löytyviä, ligniinin hajottamiseen pystyviä geenejä. Yksi potentiaalinen käyttökohde on fossiilisten materiaalien korvaaminen. Muita kiinnostavia kohteita ovat sienet ja aktinobakteerit.
”Olemme löytäneet tieteelle uusia, mutta pohjoisissa näytteissämme hyvin yleisiä sienisukuja, joissa on hiilihydraattien hajotukseen liittyviä geenejä. Aktinobakteereja, tunnettuja hajottajia, on esimerkiksi komposteissa, mutta on myös hyvin paljon kylmässä eläviä ja erittäin aktiivisia aktinobakteereja.”
Metaani on yksi merkittävimmistä kasvihuonekaasuista. Tampereen yliopiston tutkimuksessa, jossa sekvensointidataa analysoitiin CSC:n laskentaresurssien avulla, todettiin, että metaania syöviä bakteereita, metanotrofeja, voi hyödyntää edullisten biotuotteiden valmistamiseen. Metanotrofit kuluttavat metaania erittäin tehokkaasti kasvuunsa.
Aiemmin mikrobeista tutkittiin vain yksittäisiä lajeja ja oletettiin, että tämä tietty laji toimii vain tietyllä tavalla. Nyt uudet löydökset ovat Hultmanin mukaan kumonneet tämän käsityksen. Esimerkiksi metaania syöviä mikrobeja löytyy monesta eri lajista, bakteerien ohella myös arkeoneista.
”Osa toimii sekä hapellisissa että hapettomissa olosuhteissa. Ennen ajateltiin, että metaania syntyy hapettomissa olosuhteissa ja että sitä syödään hapellisissa olosuhteissa. Syvemmissä maakerroksissa on metanogeenisiä arkeoneja, jotka tuottavat metaania, mutta pintakerroksissa oli metanotrofeja, jotka hapettavat metaania ja joille metaani on ruokaa. Miten löydetään ne olosuhteet, joissa nämä metaania syövät metanotrofit viihtyvät ja miten ne saadaan lisääntymään?”
Jenni Hultman teki opinnäytetyönsä komposteista ja siirtyi sitten näistä kuumista ympäristöistä ikiroutaan ja arktisiin alueisiin. Häntä kiinnostaa, kuinka paljon lämpenemistä arktisilla alueilla tapahtuu ja kuinka paljon hiiltä vapautuu ilmaan mutta myös miten mikrobit toimivat hiilen varastoinnissa. Mikrobeilla on tässä tärkeä rooli.
”Korkeilla leveyspiireillä ilmasto lämpenee aiemmin luultua neljä kertaa nopeammin. Kun päästään perille siitä minkälainen toiminto arktisilla mikrobiyhteisöillä on ja mitä ne tekevät, niin voidaan parantaa ilmastonmuutoksen ennustemalleja. Tämä data pitäisi saada ilmastomalleihin. Tällöin pystyään ennakoimaan tarkemmin mitä muutokset aiheuttavat. Metagenomiikka ja ilmatiede linkittyvät itse asiassa vahvasti yhteen. Mikrobit tuottavat kasvihuonekaasuja ja myös käyttävät niitä.”
Jenni Hultman on käyttänyt työssään SRA-tietokantaa. SRA (Sequence Read Archive) on avoin DNA-sekvensseistä koostuva tietokanta. Sitä ylläpitävät NCBI (National Center for Biotechnology Information), EBI (European Bioinformatics Institute) ja DDBJ (DNA Data Bank of Japan).
”Me tutkijat tuotamme koko ajan valtavasti dataa. Meille ensiarvoisen tärkeää on hyödyntää tietokantoja. Toivoisin, että ELIXIR pystyisi tarjoamaan ajantasaisia tietokantoja. Kun löydän uuden sekvenssipätkän ja haluan katsoa mikä se on, niin minun ei tarvitsisi ladata itselleni kaikkia uusia tietokantoja vaan ELIXIR tarjoaisi ne. ELIXIR mahdollistaa suuren verkoston, joka voisi auttaa tutkijoita datan avoimeen julkaisuun.”
Ari Turunen
30.11.2022
Lue artikkeli PDF-muodossa
Sitaatti
Ari Turunen, Jenni Hultman, & Tommi Nyrönen. (2022). Microbiota in permafrost play an important role in climate change. https://doi.org/10.5281/zenodo.8154600
Lisätietoja
Luonnovarakeskus (Luke)
CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy
on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
https://research.csc.fi/cloud-computing
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