Suomalainen huippuyksikkö kehittää laskennallisia menetelmiä laajojen genomiaineistojen analysointiin.

Sairaalainfektioita aiheuttavien bakteerien evoluution tutkimuksesta odotetaan tulevaisuudessa apua myös epidemioiden seurantaan. Tutkimuksissa on analysoitu mm. MRSA-bakteerin perimästä horisontaalisen geenisiirtymän ja toisaalta mutaatioiden aiheuttaman vaihtelun suhdetta.

– Analyysin perusteella voidaan arvioida, milloin MRSA-bakteerin tietty kanta on saapunut maahan ja miten se on levinnyt populaatiossa, kertoo professori Jukka Corander Helsingin yliopistosta.

Coranderin ryhmä on kehittänyt älykkäisiin satunnaisalgoritmeihin perustuvia laskennallisia menetelmiä, joilla pystytään analysoimaan laajoja genomiaineistoja tehokkaasti ja nopeasti. Ryhmä on osa Suomen Akatemian Laskennallisen päättelyn huippuyksikköä ja tekee yhteistyötä maailman johtavien infektioepidemiologian tutkimuskeskusten kanssa. Huippuyksikköön kuuluu tutkimusryhmiä Helsingin yliopistosta ja Aalto-yliopistosta.

– Näiden ilmiöiden mallintaminen vaatii suuren aineiston. Teknologian nopea kehitys ja geenisekvensoinnin hinnan romahtaminen on aivan viime vuosina mahdollistanut sen käsittelyn, Corander toteaa.

Näistä menetelmistä saattaa tulla työkaluja tartuntojen alkuperän selvitykseen ja epidemioiden reaaliaikaiseen seurantaan.

– Tulevaisuudessa potilasnäytteen bakteerikannasta saadaan koko perimän kartoitus tunneissa ja sille puolestaan resistenssiluokitus verkkopohjaisesta tietokannasta, eikä hitaita viljelyjä tarvita, visioi Corander.

Geeniaineksen siirtyminen keskeistä resistenssin leviämisessä

Horisontaalisen siirtymän osuus on osoittautunut keskeiseksi bakteerien resistenssin leviämisessä. Siinä useat erilaiset soluprosessit siirtävät geenejä saman lajin eri kehityshaarojen tai eri lajien välillä.

– Tämä mahdollistaa nopean muuntumisen laajalla skaalalla, sanoo Corander.

Geeniaineksen siirtyminen monimutkaistaa evoluution tarkastelua: vasta analysoimalla sen osuus voidaan nähdä mutaatioiden aiheuttama evolutiivinen muuntelu.

Coranderin ryhmän kehittämää menetelmää hyödyntäneen tutkimuksen mukaan MRSA-bakteerikantojen perimän muuntelusta yli puolet on aiheutunut horisontaalisesta siirtymästä. Osuus voi kuitenkin vaihdella maantieteellisesti, jopa saman maan eri sairaaloissa.

– Esimerkiksi Etelä-Amerikasta analysoiduissa kannoissa on paljon helposti siirtyvää ainesta. Toisaalta Turkin eri sairaaloista analysoiduissa kannoissa mosaiikkimaista, sekoittunutta perimää oli eri määrä, Corander kertoo.

Tutkimuksessa selvitettiin MRSA ST239 -kannan maantieteellistä leviämistä 165 näytteen genomiaineistosta eri puolilta maailmaa. Se julkaistiin joulukuussa Genome Biology -lehdessä kärkiartikkelina.

Sairaalaympäristöön sopeutuminen vähentää horisontaalista siirtymää

Coranderin ryhmä on myös osoittanut sairaalaympäristöön sopeutuneiden Enterococcus faecium -bakteerin muotojen olevan peräisin useista toisistaan riippumattomista lähteistä, toisin kuin aiemmin luultiin. Näitä ilmeisesti tuotantoeläimistä ihmiseen tarttuneita moniresistenttejä kantoja (HAEF) ilmaantui sairaaloihin 1990-luvulla. Suomessa tämän bakteerin resistentit kannat eivät ole yleisiä.

Tutkimuksessa Enterococcus faeciumin sairaalakantojen ydinperimästä löytyi odotettua vähemmän merkkejä horisontaalisesta siirtymästä. Oletuksena on, että sen jälkeen kun bakteerikanta on sopeutunut sairaalaympäristöön, se muuttuu joko geneettisesti tai ekologisesti eristäytyneemmäksi. Ryhmän vielä julkaisemattomassa tutkimuksessa samanlainen havainto on saatu E. coli -bakteerista.

– Bakteeri ei halua luopua ominaisuuksistaan, kun se on sopeutunut ja menestyy, ja sille kehittyy menestyksellistä perimää suojaavia solumekanismeja. Loppujen lopuksihan sen tavoite on selviytyä mikrobien välisessä kilpailussa, sanoo Jukka Corander.

Tutkimus julkaistiin viime vuonna American Society for Microbiologyn mBio-verkkojulkaisussa.

Marianne Jansson
Kuva: Panthermedia