Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehdessä 5/2023.
Yellowstonen kansallispuiston kuumien lähteiden kauniit, epätodelliset värit saavat vaeltajan syvien mietteiden äärelle.
Jarno Mäkelä vaelsi Yellowstonessa pari vuotta sitten puolisonsa kanssa. Bakteeritutkijana hän tiesi selityksen väreille.
Vesi viilenee kuuman lähteen keskeltä kohti reunaa. Lähes sata-asteisessa vedessä viihtyvät eri bakteerit kuin 60-asteisessa, ja bakteerit värjäävät veden.
— Oli huimaa nähdä bakteerien elävän ääriolosuhteissa. Silloin aloin miettiä, voisiko bakteereiden sopeutumista eri lämpöoloihin tutkia superresoluutiomikroskopian keinoin.
Mäkelällä oli sopiva tausta havaintojen tekoon. Väitöstutkimuksessaan Tampereen teknillisessä yliopistossa 2010-luvun alkupuolella Mäkelä mittasi lähetti-RNA-molekyylien määrää kolibakteereissa. Ideana oli selvittää, kuinka aktiivisesti kukin bakteeri mittaushetkellä rakensi lähetti-RNA:n välityksellä sisäänsä uusia proteiineja.
Oxfordin yliopiston tutkijatohtorina Mäkelä pääsi tutkimaan superresoluutiomikroskopian avulla kolibakteerin SMC-proteiinikompleksia. Tämä hakaneulan muotoinen kokonaisuus pakkaa kromosomin niin, että solunjakautuminen on mahdollista. Ihmisenkin solunjakautumisessa samantyyppinen proteiini järjestää kromosomit X:n muotoon.
Stanfordin yliopistossa 2020–2022 Mäkelä puolestaan seurasi superresoluutiomikroskopian avulla sitä, kuinka kolibakteeri osaa kahdentaa kromosomin juuri sopivaan aikaan solunjakautumiskierron kannalta.
Proteiinin liike
Juuri Stanfordin aikoina Mäkelä harrasti vaeltamista lähiympäristössä. Yellowstonessa kuuman lähteen äärellä hän alkoi miettiä bakteereiden sietokykyä kuumalle — tai oikeastaan lämpötilan muutoksen sietokykyä.
— Kolibakteeri voi kasvaa laajalla lämpötilavälillä, noin 10 asteesta liki 50 asteeseen, kun ihmissolu kasvaa huomattavasti pienemmällä lämpötilavälillä.
Mäkelä sai vuoden 2022 lopulla Euroopan tutkimusneuvostolta ERC:ltä rahoituksen, jolla voi perustaa Helsingin yliopistoon ryhmän tutkimaan bakteerien sopeutumista eri lämpötiloihin.
— Kemiallisten prosessien nopeus keskimäärin kaksinkertaistuu lämpötilan noustessa kymmenen astetta. Bakteerissa on käynnissä tuhansia reaktioita, jotka kaikki kiihtyvät, mutta hieman eri tahdissa, Mäkelä selittää.
— Suuri kysymys on se, miten ihmeessä bakteerisolu pystyy säilyttämään jonkinlaisen tasapainon, kun lämpötila muuttuu rajusti.
Sopeutumisen tavat
Mäkelä hakee vastauksia tutkimuskysymyksiin mittaamalla yksittäisten proteiinien liikettä elävissä soluissa. Oman tutkimusryhmän perustaminen auttaa kaikkien kysymysten testaamista.
Työ on perusteellista perustutkimusta. Sen kautta voi biologiassa löytyä uusia oivalluksia, jotka johtavat sovelluksiin.
Mäkelä muistuttaa mullistavasta geenimuuntelumenetelmästä, jota kutsutaan nimellä CRISPR/Cas-geenisakset. Siinä CRISPR-niminen ohjaus-RNA hakeutuu oikeaan kohtaan genomissa ja DNA:ta silppuava proteiini Cas tekee viillon. Menetelmä löytyi bakteeritutkimuksen sivutuotteena. Kyseessä on bakteerin mukautuva puolustusmekanismi, jonka versioita löytyy yli puolesta tunnetuista bakteereista. Ensimmäisen kerran se löydettiin kolibakteerista vuonna 1987.
Mäkelän haaveena on löytää uusia lämpötilamuutokseen sopeutumisen mekanismeja, jotka pätisivät kaikkiin eläviin soluihin.
Meret happamoituvat
Bakteerisolun aktiivisuus kasvaa lämpötilan noustessa, millä on vaikutuksia ympäristöönkin. Meressä elävien bakteerien on havaittu lämpötilan noustessa alkavan muokata proteiineja niin, että meri näiden prosessien seurauksena muuttuu happamammaksi.
Hiilidioksidin määrän lisääntyminen ilmakehässä happamoittaa meriä, kun hiilidioksidi reagoi veden kanssa muodostaen hiilihappoa. Nyt lämpötilan nousu vaikuttaa bakteerien aktivoitumisen kautta samaan vaaralliseen suuntaan.
— Ilmastotieteilijät toivovat, että mikrobitoiminnan roolia ilmastonmuutoksessa opittaisiin ymmärtämään nykyistä paremmin. Bakteereita kun on kokonaismassaltaan 30–40 kertaa enemmän kuin eläimiä, Mäkelä sanoo.
Hyötyjä hakemassa
Bakteereista voi toisaalta olla ilmastonmuutoksen torjunnassa apua, etenkin kuumuutta ja lämpötilan muutoksia kestävistä bakteereista.
Proteiinin tuotantoa ihmisravinnoksi bakteerien avulla ja useita muitakin bakteereita hyödyntäviä biokemian prosesseja voidaan tehdä myös korkeissa lämpötiloissa.
— Silloin reaktiot tapahtuvat nopeammin. Prosessit ovat kuumassa myös hygieenisempiä ja turvallisempia, kun mahdollisista haittabakteereista suurin osa ei kestä kovia lämpötiloja, Jarno Mäkelä kuvaa.
Yliopisto-lehti on Helsingin yliopiston tiedeaikakauslehti, joka on sitoutunut Journalistin ohjeisiin.