Professoriluento | Teppo Hiltunen

Biologia on elollisen luonnon lainalaisuuksia tutkiva luonnontiede. Yksi biologian haaroista on ekologia, jossa tarkastellaan eliöiden ja eliölajien vuorovaikutusta toistensa, sekä niitä ympäröivän elottoman ympäristön kanssa. Oma tutkimukseni liikkuu ekologian, mikrobiologian sekä evoluutiobiologian rajapinnoilla. Tutkimukseni keskittyy tuottamaan uutta tietoa siitä, miten lajien väliset vuorovaikutuksen muuttuvat evoluution myötä ja miten yksittäisistä lajeista muodostuneet eliöyhteisöt vastaavat ympäristönmuutokseen, tai ympäristön aiheuttamaan stressiin. Tutkin näitä kysymyksiä käyttäen kokeellisia mikrobiyhteisöjä mallisysteemeinä.

Miksi meidän pitäisi olla kiinnostuneita siitä, miten lajit vuorovaikuttavat keskenään, tai miten ympäristön aiheuttama stressi muokkaa eliöyhteisöjä? Tieteenala, joka tutkii näitä kysymyksiä, on populaatioekologia ja sen ymmärtäminen on tärkeää, jotta voimme ennustaa ja ymmärtää esimerkiksi tautien puhkeamista ja leviämistä tai siinä että voimme tehdä järkeviä suunnitelmia miten tärkeitä kalakantoja suojellaan ylikalastusta vastaan.

Elämme myös aikaa missä ihmisen aiheuttama ympäristönmuutos johtaa lajien sukupuuttoihin, ja luonnon monimuotoisuus katoaa hälyttävää vauhtia. Käytännön suojelutoimenpiteiden pohjana pitää olla tutkittu tieteellinen tieto ja onkin erittäin olennaista ymmärtää mekanismit, miten ympäristönmuutos ja stressi vaikuttavat eliöyhteisöihin, jotta voimme suojella niitä parhaiten haitallisia muutoksia vastaan. Mekanismit, jotka pohjimmiltaan ylläpitävät monimuotoisuutta ovat samoja tarkastelimme sitten sademetsien kasveja, suolistobakteereiden monimuotoisuutta antibioottikuurin aikana tai kokeellisia mikrobiyhteisöjä koeputkessa. Oman tutkimukseni keskeisin tavoite on ymmärtää yleismaailmallisia mekanismeja ja kehittää yleispätevää teoreettista pohjaa ekologian ja evoluutiobiologian paremmalle ymmärtämiselle.

Yksi keskeinen havainto viime vuosikymmenien ekologisessa tutkimuksessa on se, että ekologia ja evoluutiobiologia eivät ole toisistaan irrallisia, vaan ekologiset ja evolutiiviset prosessit vuorovaikuttavat keskenään. Aiemmin on ajateltu, että ekologiset prosessit ovat jotain hyvin nopeaa ja evolutiiviset prosessit ovat jotain hyvin hidasta, jotain mikä tapahtuu dinosaurusten aikamittakaavassa. Nämä prosessit kuitenkin tapahtuvat samassa aikamittakaavassa ja vuorovaikuttavat keskenään. Tämä kehityskulku on luonut uuden tieteenalan, jota kutsumme eko-evo dynamiikan tutkimussuuntaukseksi ja suurin osa omasta tutkimuksestani edustaa myös tätä suuntausta. Lajien välisen vuorovaikutuksen evoluutio ja sen vaikutus ekologisiin prosesseihin on erityisen helposti havaittavissa nopeasti lisääntyvien mikrobien populaatioissa.

Mitä nämä jo useasti mainitut mikrobit, eli pieneliöt sitten ovat? Mikrobeja ovat ihmissilmälle näkymättömät, eli halkaisijaltaan alle 100 µm:n kokoiset eliöt ja tämä on yhteisnimitys eri eliökuntien mikroskooppisen pienille eliöille, joita ovat muun muassa bakteerit, virukset, hiivat, alkueläimet ja monet sienet, kuten homeet. Mikrobit vaikuttavat meidän jokaisen elämään, hyvässä ja pahassa, sillä mikrobit ovat ihmiskunnan parhaita ystäviä ja samalla pahimpia vihollisia. Maapallon ekosysteemien toiminnan kannalta mikrobit ovat olennaisen tärkeitä, sillä mikrobit ovat ekosysteemien perustoja ja ekosysteemien toiminta lakkaisi ilman mikrobeja. Esimerkiksi kasvit eivät kasvaisi ilman symbitonttisia mikrobeja ja hukkuisimme kuolleeseen biologiseen materiaaliin, jos kukaan ei sitä hajottaisi ja vapauttaisi ravinteita uudestaan kiertoon muiden organismien käytettäväksi.

Ihmisen ja mikrobien vuorovaikutus on myös kiinteämpi kuin usein voimmekaan käsittää. Mikrobit ovat osa meidän arkipäiväistä elämäämme. Meillä ei olisi esimerkiksi kuohkeaa leipää tai olutta ilman hiivaa tai hapatettuja elintarvikkeita ilman prosessin vaatimia bakteereita. Jos ajatellaan ihmisen ja mikrobien suoraa vuorovaikutusta on meidän jokaisen kehossa valtava määrä hyödyllisiä mikrobeja ja tätä mikrobien kokonaisuutta kutsumme mikrobiomiksi. Samaan aikaan ihmisen ja mikrobien kohtaamiset eivät ole aina positiivisia ja miellyttäviä. Esimerkiksi ihmiskunnan kohtaaminen Yersinia pestis ruttobakteerin kanssa aiheutti 1300-luvulla mustan surman, johon kuoli suuri osa Euroopan väestöstä. Toki ihmiskuntaa kiusaavien pandemioden esimerkkejä ei tarvitse hakea aivan 1300-luvulta asti, kuten hyvin tiedämme. Sekä mustan surman, että viimeaikaisen koronaviruksen aiheuttaman pandemian tapauksissa, kyseessä on pohjimmiltaan lois-isäntä suhteesta, missä ihminen on isäntä ja mikrobi on loinen, jossa loinen leviää isäntäpopulaatiossa biologian lainalaisuuksia noudattaen. Palaan aiempaan kysymykseeni: miksi populaatioekologian ja evoluution ymmärtäminen on tärkeää? Yleiset lainalaisuudet mitä yhteisöekologit ovat selvittäneet lois-isäntäsuhteesta tilajakautuneissa ympäristöissä on konseptina hyödynnettävissä tautien leviämisen mallinnuksessa. Evoluutiobiologia tulee taas kuvaan mukaan siten, että koronaviruksen eri varitanttien yleistymisen koronaviruksen populaatiossa on täydellinen esimerkki suoraan evoluutiobiologian oppikirjasta.

Sen lisäksi, että mikrobit ovat kiinnostavia itsessään ja niiden ymmärtämien on tärkeää niiden ihmiselle tärkeiden toimintojen ymmärtämiseksi, ovat mikrobit myös oivia työvälineitä ekologian ja evoluutiobiologian teorian testaamiseen. Keskeisin työväline, tai menetelmä omassa tutkimuksessani on kokeellinen ekologia ja evoluutio. Tässä lähestymistavassa käytämme erilaisia mikrobeja mallilajeina, joilla voimme testata esimerkiksi, miten antibioottiresistenttiys kehittyy laboratorio-olosuhteissa. Kokeellisen evoluution keskeinen idea on luoda mahdollisimman hyvin kontrolloidut koeolosuhteet, jolloin voimme tarkastella biologisia ilmiöitä ilman ympäristön tuomaa häiriötä, mikä olisi luonnossa mahdotonta. Mikrobien etuja kokeiden suorittamisessa ovat myös niiden nopea sukupolvenkierto ja voimme tehdä pienessä tilassa monimutkaisia kokeita, joissa yksittäinen mikrobikasvatus saattaa olla vain millilitran osia. Näin ollen pystymme suorittamaan kokeita, joissa tarkkailemme jopa tuhansia mikrobiyhteisöjä samanaikaisesti ja pystymme saavuttamaan suuren toistettavuuden, joka olisi luonnopopulaatioissa mahdotonta ja toisaalta tilastollisten analyysien kannalta olennaista.  Samaan aikaan geneettisten analyysien suorittaminen on kokenut vallankumouksen. Sekvensointimenetelmät ovat tulleet vuosi vuodelta halvemmaksi ja olemme saavuttaneet pisteen missä meillä on mahdollista analysoida kokeiden tuottamat tuhannet näytteet. Tällä hetkellä pullonkaula on siirtynyt aineiston analyysin suorittamiseen ja alan edistymisen kannalta onkin ensiarvoisen tärkeää, että koulutamme ihmisiä, jotka osaavat toimia biologian ja datatieteiden välimaastossa, ymmärtäen biologiset kysymykset ja samalla omaten tarvittavat taidot aineistojen monimutkaiseen analyysiin.

Oma tämänhetkinen tutkimukseni keskittyy käyttämään synteettisiä bakteereiyhteisöjä. Synteettiset bakteeriyhteisöt ovat keinotekoisesti koostettuja eliöyhteisöjä, joiden yksittäisiä lajeja voimme manipuloida laboratorio-olosuhteissa. Näiden yhteisöjen avulla voimme testata monia yhteisöekologian ja mikrobiologian kysymyksiä tavalla, joka ei ole ollut aiemmin mahdollista. Tällä hetkellä tieteen terävin kärki mikrobiomitutkimuksessa on siirtymässä kuvailevasta havainnoinnista mekanismien ymmärtämiseen ja siihen synteettiset yhteisöt ovat erinomainen työväline. Esimerkiksi olisi eettisesti kestämätöntä tehdä ihmisille antibioottimanipulaatioita tutkiaksemme miten antibioottiresistenttiys kehittyy suolen bakteereissa, mutta jos tuomme suoliston mikrobistoa kuvaavan malliyhteisön laboratorioon, voimme tutkia sitä ilman eettisiä ongelmia.

Yksi mielenkiintoinen tutkimussuuntaus on myös ekologian ja evoluutiobiologian teorian hyödyntäminen siinä, että pystymme kontrolloimaan mikrobiyhteisöjä haluamallamme tavalla. Sovelluskohteita tälle perustutkimuksella hankitulle tiedolle on esimerkiksi, miten teollisuuden tarpeisiin voidaan tuottaa halutun toiminnallisuuden omaavia mikrobiyhteisöjä tai miten voimme kohdistaa antibioottiterapiaa niin, että poistamme haitalliset taudinaiheuttajat tehokkaasti, ilman että läheisyydessä olevat hyödylliset mikrobit kärsivät.

Yksi keskeinen kysymykseni tämänhetkisessä tutkimuksessani onkin, miten antibioottiresistenttiys kehittyy monimutkaisissa bakteeriyhteisöissä. Antibioottiresistenttiydellä tarkoitetaan tilannetta, jossa aiemmin antibiootille herkkä bakteeri pystyy kasvamaan antibiootin ollessa läsnä. Antibiooteille vastustuskykyiset bakteerit ovat iso yhteiskunnallinen ongelma, jota pyritään ratkaisemaan monella rintamalla. Esimerkiksi lääketiede panostaa paljon ongelman poistamiseen kliinisessä ympäristössä ja lääkekehitys pyrkii löytämään uusia antibiootteja. Antibioottiresistenssin ongelma ei kuitenkaan liity vain ihmisen terveyteen, vaikka se onkin ongelman keskiössä. Resistenttiys kehittyy ja leviää myös ympäristössä, esimerkiksi keskeinen paikka antibioottiresistenttiyden kannalta on jätevedenpuhdistus, jossa ihmisperäiset bakteerit ja ympäristön bakteerit kohtaavat. Tutkijat lähestyvät asiaa monilta eri kannoilta, mutta mekanismiltaan ongelma on kuitenkin pohjimmiltaan evoluutiobiologinen ongelma ja meidän pitää ymmärtää evoluutiobiologian lainalaisuuksia, että voimme ymmärtää miten haitallinen antibioottiresistenttiys kehittyy ja leviää.

Omassa tutkimuksessani olen käyttänyt kokeellisia bakteeriyhteisöjä, kysyäkseni muun muassa miten antibioottiresistenttiys kehittyy tilajakautuneessa ympäristössä tai miten bakteeriyhteisöjen evoluutio vaikuttaa niiden ekologiseen resilienssiin, eli sitkeyteen antibioottistressiä vastaan. Näiden tutkimusten yleisenä tuloksena voidaan nostaa esille, että ekologiset vuorovaikutukset, eli esimerkiksi kilpailu eri bakteerilajien välillä tai alkueläinsaalistus, ovat tärkeitä sille, miten antibioottiresistenttiys kehittyy. Ongelmaa on perinteisesti tutkittu kokeellisen evoluution piirissä yhden lajin kokeilla, mutta havaintojemme perusteessa yhteisörakenteella on suuri merkitys siihen, miten resistenttiys syntyy ja leviää.

Oma tutkimukseni on ollut usein monitieteistä ja olen urani aikana vuorovaikuttanut eri alojen tutkijoiden kanssa, jota pidän hedelmällisen ja tuottavan tutkimustoiminnan perustana. Hyvänä esimerkkinä tästä on viimeaikainen konsortiomme, missä tutkimme antibioottiresistenssin ongelmaa. Antibioottiresistenttiys on monimutkainen ongelma, joka vaatii monitieteellisen ratkaisun. Tutkimusryhmäni on osa Suomen akatemian rahoittamaa mikrobilääkeresistenssin monitieteistä huippuyksikköä. Huippuyksikössä ryhmäni lähestymistapa antibioottiresistenttiyteen on ekologian ja evoluutiobiologian kautta ja muut ryhmänjohtajat ovat taustaltaan lääketieteen tutkija, ympäristömikrobiologi, sosiologi sekä bioinformaatikko. Tulevina vuosina tutkimukseni tulee keskittymään tämän konsortion osana toimimiseen. Tavoitteemme on, että monitieteisyys auttaa meitä saamaan ymmärrystä vaikeaan ja monitahoiseen antibioottiresistenttiyden ongelmaan.