Suolistomikrobistolla on vaikutus ihmisen terveyteen, mutta mikrobiston toimintaa ei tunneta tarpeeksi hyvin. Turun yliopistossa mikrobiston toimintaa proteiinien tasolla tutkitaan metaproteomiikan avulla.
Aiemmat tutkimukset ovat pääosin keskittyneet mikrobiston koostumuksen selvittämiseen, mutta ihmisen suoliston mikrobiston toiminnoista proteiinitasolla on edelleen varsin vähän tietoa. Proteiinit tekevät suurimman osan solujen toiminnoista ja niiden tutkimus auttaa ymmärtämään vuorovaikutuksia solujen ja ympäristön välillä. Metaproteomiikka on hyvä menetelmä tutkia ihmisen suolimikrobistoa, koska sen avulla voi luokitella ja tunnistaa mikrobiyhteisöissä toimivat proteiinit.
”Aiemmin on lähinnä vain profiloitu suoliston mikrobiston koostumusta. Se ei kuitenkaan kerro funktionaalisuudesta eli siitä, mitä suolistossa todella tapahtuu. Mukana voi olla kuollutta bakteerimassaa tai bakteerit eivät muuten ole aktiivisia. Toiminnallisuuden selvittämiseen tarvitaan metaproteomiikkaa. Tämä on käytännössä vasta viime aikoina muuttunut mahdolliseksi teknisesti mitata”, sanoo tutkija Tomi Suomi.
Suomi työskentelee Turun yliopistossa professori Laura Elon tutkimusryhmässä, jossa on kehitetty uusi menetelmä mikrobiston toiminnan tutkimiseen proteiinitasolla. Suomen mukaan olennainen kysymys on, että mitä prosesseja suolistomikrobistossa on havaittavissa. Vasta nyt saadaan tietoa bakteerien aineenvaihdunnallisesta aktiivisuudesta proteiinien tasolla. Näin voidaan analysoida monia ruokavalioon liittyviä tekijöitä kuten esimerkiksi sitä, miten äidinmaitokorvikkeet vaikuttavat suolistomikrobistoon.
”Nyt pystymme aivan uudella tasolla mittaamaan ja tutkimaan mitä suolistossa tapahtuu. Mikä on bakteerien välinen vuorovaikutus ja miten bakteerien aktiivisuus määräytyy? Kehittämämme menetelmä hyödyntää uusinta massaspektrometriteknologiaa ja laskennallisia menetelmiä. Menetelmän avulla on mahdollista mitata kattavasti monimutkaisten mikrobistonäytteiden proteiinitasoja.”
Suoliston mikrobien tärkeä rooli ihmisen terveydelle ja niiden merkitys eri sairauksissa on tunnistettu viimeaikaisissa tutkimuksissa. Potentiaalisia tauteja, joiden tutkimiseen metaproteomiikkaa voidaan soveltaa ovat esimerkiksi Crohnin tauti, haavainen paksunsuolen tulehdus, paksunsuolen syöpä tai diabetes.
”Mahdollisia muita sovellusalueita voisivat olla jopa allergiat. On olemassa runsaasti eri tautitiloja, joiden yhteyttä suoliston mikrobistoon on ainakin jollain tasolla ehdotettu. Kehittämämme menetelmät olisivat suoraan sovellettavissa näihin tutkimuksiin.”
Massaspektrometriaa käytetään eroteltujen proteiinien tunnistukseen. Näytteessä olevat proteiinit hajotetaan pienemmiksi aminohappoketjuiksi eli peptideiksi. Pilkotut peptidit analysoidaan massaspektrometrilla. Proteiinien tunnistus tapahtuu päättelemällä peptidien aminohappoketjut mitattujen massojen perusteella laskennallisia menetelmiä hyödyntäen. Mitattuja massoja verrataan esimerkiksi tietokantoihin, joihin on kerätty tunnettuja proteiinisekvenssejä, ja joihin saadut peptidimassat parhaiten sopivat.
Uusissa DIA-menetelmissä (data-independent acquisition) kaikki näytteen sisältämät peptidit pyritään mittaamaan ja fragmentoimaan tunnistusta varten. Tunnistaminen on kuitenkin tavallista hankalampaa, sillä yksittäiset spektrit saattavat samalla edustaa useampaakin peptidiä. Vastaavaa DIA-pohjaista massaspektrometriaa ei ole aiemmin hyödynnetty metaproteomiikan yhteydessä. Tutkimusryhmässä on kehitetty algoritmeja, joilla peptidisekvenssit tunnistetaan ja etsitään tietokannoista.
Suomen mukaan tämä on laskennallisesti haastavaa, koska uudessa menetelmässä yritetään mitata kokonaisvaltaisesti kaikkea, mitä näytteessä on: kaikki näytteiden sisältämät peptidit eri mikrobilajeista.
”Metaproteomiikkaan tarvitaan massiivinen laskentakapasiteetti, koska tunnistaminen on niin haastavaa. Meillä on referenssinä miljoonia eri proteiineja tuhansista bakteerilajeista, joita näytteistä yritetään tunnistaa. Lopputuloksena kuitenkin on, että näytteestä saadaan todella tarkka ja vertailukelpoinen mittaus.”
Tutkimusryhmä käyttää Suomen ELIXIR-keskuksen CSC:n laskentakapasiteettia. CSC:n virtuaalikoneet on liitetty Turun yliopiston paikallisen laskentaklusterin jatkeeksi.
Tomi Suomen mukaan tämä mittausmetelmä vaikuttaa toimivan kliinisissä näytteissä varsin hyvin. Tulevaisuudessa esimerkiksi biopankkeihin tallennettuja ulostenäytteitä voitaisiin mitata vertailukelpoisesti.
”Meillä saattaa olla satoja näytteitä eri yksilöistä. Tällä hetkellä ainoastaan tämän menetelmän avulla pystymme mittaamaan riittävän vertailukelpoisesti eri yksilöiden välisiä eroja vaikkapa osana sairauksien syntyprosessia. Uudella menetelmällä isojenkin kohorttien tutkiminen on mahdollista.”
Tomi Suomen mukaan uusi menetelmä tarjoaa laajan kirjon sovelluskohteita.
”Teoriassa menetelmät olisivat sovellettavissa laajemminkin metaproteomiikan sovelluksissa, kuten vaikka vesistöjen tai jätevesien tutkimuksessa, tai maaperästä kerättyjen näytteiden analysoinnissa, mutta näissä sovelluskohteissa emme ole menetelmiämme testanneet.”
Ari Turunen
16.11.2023
Lue artikkeli PDF-muodossa
Sitaatti
Turunen, A., & Nyrönen, T. (2023). Artificial intelligence helps researchers find suitable drugs based on patient’s genetic data and cancer cell samples. https://doi.org/10.5281/zenodo.10796468
Lisätietoja:
Turun biokeskus
CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy
on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keski- tettyä 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