JYUnity

Bakteereja tuhoavat virukset eli faagit löydettiin jo sata vuotta sitten. Nyt niistä kehitetään lääkkeitä korvaamaan antibiooteille resistenteiksi käyneitä bakteereita. Apulaisprofessori Lotta-Riina Sundbergin tutkimusryhmän huomio on keskittynyt faageihin, jotka voivat nitistää kaloille kivuliaita iho- ja kidustulehduksia aiheuttavia flavobakteereja.

Luonnossa bakteerit ja niitäkin lukuisampi joukko faageja (bakteriofagit) käyvät jatkuvaa keskinäistä taistelua. Jokaisella bakteerilla on oma faaginsa, joka voi bakteerin tuhota. Bakteerit torjuvat sisälle pyrkiviä faageja esimerkiksi tuottamalla proteiineja, jotka pilkkovat viruksia. Faagit puolestaan keskittyvät harhauttamaan bakteereja monin eri tavoin, tavoitteena on päästä lisääntymään isäntäbakteerissa.

Heliumionimikroskooppi näyttää, miten faagi kiinnittyy viruksen pintaan. Kuva: Jyväskylän yliopisto/Miika Leppänen

Tästä taistelusta jää jälki bakteerin perimään, genomiin: viruksen perimästä siirtyy DNA-jaksoja niin kutsuttuun CRISPR-systeemiin. Näitä jaksoja Lotta-Riina Sundberg ryhmineen jäljittää, sillä niiden avulla voi lopulta löytyä juuri oikeanlainen faagi, joka päihittää tärkeitä ruokakaloja kuten kirjolohia sairastuttavan flavobakteerin (Flavobacterium columnare).

”Nyt tiedämme, millaisille faageille bakteeri on altistunut aiemmin ja voimme etsiä faagimutantteja, jotka voivat tuhota bakteerin”, Sundberg sanoo.

Merkkipaalu oli, kun Sundberg onnistui sattumalta eristämään ensimmäisen flavobakteeria infektoivan faagin Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen laboratoriossa vuonna 2007.  Sen jälkeen ryhmälle on kertynyt mittava seuranta-aineisto: näytteitä bakteerin ja faagin kamppailusta on kerätty suomalaisilta kalanviljelylaitoksilta vuosittain vuodesta 2007 lähtien.

”On vaatinut malttia kerätä dataa ja osoittaa faagien ja bakteerien välinen kilpailu luonnossa”, Sundberg kuvailee pitkän aineiston etuja.

Faagin voi viedä kalaan pintalimassa

Flavobakteeri  aiheuttaa kaloille iho- ja kidustulehduksia maailmanlaajuisesti etenkin lämpimien vesien aikana. Kalanviljelylaitoksilla epidemiat etenevät nopeasti ja niistä koituu vuosittain huomattavia tuotantotappioita.  Matkaa faagihoitojen laajaan, teolliseen käyttöön on vielä, mutta Jyväskylän yliopiston tutkijaryhmä testaa jo menetelmiä, joilla faagit kannattaisi viedä kaloihin, jotta ne estäisivät bakteeritaudin synnyn. Nyt tutkitaan, kannattako faagi antaa esimerkiksi rehun mukana kaloille vai tartuttaa kalan pintalimaan.

Nanotiedekeskuksessa tutkitaan, voiko faagikäsittelyn antaa kaloille jo ennen kuin bakteeritauti iskee. Kuva: Luonnonvarakeskus

”Lupaavia tuloksia on saatu, kun kaloja on kyllästetty faageilla ennen bakteeritaudin iskemistä. Faagikylvyssä faageja tartutetaan kalan pintalimaan. Ne kiinnittyvät siihen hyvin ja viihtyvät limaisessa pinnassa useita päiviä. Tutkimme, kauanko faagit lopulta antavat suojaa tautia vastaan”, Sundberg kertoo.

Muitakin vaihtoehtoja on: faagit voitaisiin antaa rehuna kaloille tai  kiinnittää kalanviljelyaltaissa pintoihin, jolloin ne vaikuttaisivat probioottien tavoin.

Sundberg sanoo, että Norjassa kalojen faagihoitoja tekee jo yksi yritys.

”Sen lisäksi esimerkiksi tiedän, että Listeria-bakteeria torjutaan faageilla elintarvikepakkauksissa Yhdysvalloissa ja perunan tauteja Englannissa”, Sundberg kertoo.

CRISPR on helpottanut genomien muokkausta

Lotta-Riina Sundberg tutkii mekanismia, jonka hyödyntäminen on nopeasti yleistynyt molekyylibiologiassa. CRISPR on lyhenne sanoista Clustered Regularly–Interspaced Short Palindromic Repeats: infektion tunnistavat viruksen DNA-jaksot ovat bakteerin DNA:ssa ryppäytyneesti tasaisin välimatkoin toisistaan.

”Immunologinen muisti on bakteerille kuin ohjelma, jota se voi päivittää. Kun sinne tulee uusi, tuntematon virus, bakteeri tallettaa pätkän viruksen genomia CRISPR-muistiinsa. Mikäli sama geenipätkä tulee faagin mukana soluun uudestaan bakteeri tunnistaa ja tuhoaa sen. Näin se välttyy infektiolta”, sanoo Sundberg.

CRISPR on tuonut tullessaan myös geenimuuntelutekniikoita, ”geenisaksia”, joilla genomia voidaan muokata. Eliön kuten viruksen tai bakteerin perimästä, DNA-juosteesta, leikataan pätkiä ja näin muokataan eliöön toivottuja ominaisuuksia. Menetelmän myötä genomin muokkaus on entistä useamman tutkijan ulottuvilla. Sundbergin omien havaintojen mukaan tutkimusjulkaisujen määrä on noussut nopeasti, jopa räjähdysmäisesti parin viime vuoden aikana.

Sundbergin ryhmä ei geenisaksia käytä, vaan keskittyy selvittämään, miten CRISPR toimii luontaisesti bakteereissa.

Apulaisprofessori Sundbergin mukaan geenimuuntelutekniikoita on syytä tutkia ja kehittää eteenpäin nyt laajasti, kun genomimuokkausta koskevaa lainsäädäntöä parhaillaan täydennetään:

”Pitää tietää, mikä on mahdollista ja mitä riskejä erilaisiin tekniikoihin liittyy, jotta niitä voidaan käyttää turvallisesti ja tarkoituksenmukaisesti”, hän korostaa.

Patenttihakemus meneillään faagien tuotantomentelmistä

Lotta-Riina Sundbergin tutkimusryhmä työskentelee Jyväskylän yliopistossa Nanotiedekeskuksessa ja bio- ja ympäristötieteiden laitoksella. 

Lotta-Riina Sundbergin tutkijan ura alkoi akvaattisten tieteiden opiskelulla Jyväskylän yliopiston bio- ja ympäristötieteiden laitoksella vuonna 1997.  Solu- ja molekyylibiologia veivät kalabiologin nopeasti mukanaan. Laboratoriossa syntyi yhdessä yössä nopeasti näkyvää jälkeä.

”Ensin bakteerimaljalla ei näy mitään, mutta jo seuraavana aamuna se on täynnä elämää”, hän muistelee ihastelleensa.

Filosofian tohtoriksi Sundberg väitteli vuonna 2005 flavobakteerista. Tällä hetkellä hän vetää Jyväskylän yliopistossa tutkimusryhmää, jossa on kahdeksan jäsentä: kolme tutkijatohtoria, kolme tohtorikoulutettavaa ja kaksi projektitutkijaa.

Sundberg sai Suomen Akatemialta tutkimuksiinsa nelivuotisen rahoituksen vuonna 2018. Lisäksi tutkimusta rahoittaa Jane ja Aatos Erkon säätiö, Itämeren tutkimus- ja kehitysohjelma (BONUS) ja Euroopan meri- ja kalatalousrahasto (EMKR). Meneillä on patenttihakemus, joka liittyy faagien tuotantomenetelmiin.

Biotieteiden, kemian, ja fysiikan alojen tuorein nanotutkimus on esillä Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen järjestämässä kansainvälisessä nanotutkimuksen konferenssissa, Nanoscience Days –tapahtumassa 8.-9. lokakuuta 2019 Jyväskylässä. Linkki ohjelmaan: jyu.fi/nsdays