Joka vuosi influenssarokotteen valmistajat joutuvat valitsemaan, mitä viruksen kantaa vastaan rokote suunnataan. Jos päätös osuu oikeaan ja valittu kanta on influenssakaudella vallitseva, rokote tepsii hyvin. Jos ei, teho on heikompi.
Syöpähoidoissa käy toisinaan niin, että alkuun lääkitys toimii hyvin ja syöpäsolut kuolevat. Sitten kehitys pysähtyy, eikä hoito enää tehoa. Syöpäsoluissa vallan on ottanut alamuoto, joka on vastustuskykyinen.
Näiden ongelmien ratkaisemisessa auttaisi, jos voisimme ennustaa, miten virukset, bakteerit ja syöpäsolut kehittyvät. Juuri sitä yrittää bioinformatiikan professori Ville Mustonen.
— Kun opimme ennustamaan taudinaiheuttajien evoluutiota, avautuu mahdollisuus ohjailla sitä haluamaamme suuntaan.
Perinteisesti evoluution tutkimus on katsonut taaksepäin ja pyrkinyt ymmärtämään, miten eliöt ovat kehittyneet sellaisiksi kuin ne nyt ovat. Uusi tutkimussuuntaus pyrkii matemaattisten menetelmien avulla ennustamaan, millaisiksi ne lähitulevaisuudessa muuttuvat.
Tutkimuskohteena on nopeasti kehittyvien solujen ja bakteerien evoluutio. Esimerkiksi ihmisen evoluution ennustaminen ei olisi kovin järkevää, koska sukupolvien välillä on vuosikymmeniä, eikä ennustusten paikkansapitävyyden testaaminen onnistuisi.
HAASTE HIIVALLE
Vielä toistaiseksi ennustamisessa ollaan alkuasetelmissa ja pohjatyövaiheessa. Mustosen ryhmä on tutkinut nopeaa evoluutiodynamiikkaa yhteistyössä Ranskassa ja Ruotsissa toimivien kokeellisen evoluution tutkimusryhmien kanssa.
— Haastoimme hiivasoluja lääkeaineilla ja katsoimme, miten evoluutio etenee ja populaatio kehittyy.
Seuraavaksi Mustonen haluaisi tutkia, miten bakteereita tuhoavat faagit eli virukset vaikuttavat bakteerien evoluutioon. Sitä varten hän on hakenut rahoitusta yhdessä mikrobiologian alan akatemiatutkijan Teppo Hiltusen kanssa.
Myös vastustuskyvyn kehittyminen on kiinnostava tutkimuskohde. Resistenssi on yleinen ongelma, joka liittyy useimpiin taudinaiheuttajiin. Ellei koko populaatiota saada hengiltä, osa muuttuu vastustuskykyiseksi.
VOIMASUHTEET ESIIN
Ville Mustonen hahmottelee konseptia, jonka avulla voidaan luoda malleja suvuttomasti lisääntyvien organismien evoluution ennustamiseen. Konsepti olisi sovellettavissa niin bakteereihin, viruksiin kuin syöpäsoluihinkin.
Kun laskentamallia laaditaan, tarkastellaan, miten populaatio on käyttäytynyt aiemmin. Ensin mitataan siinä esiintyvät alatyypit, sitten mallinnetaan, mikä määrittää niiden kelpoisuuden ympäristössään. Kun nähdään kantojen voimasuhteet, voidaan tehdä ennuste.
Tarkoitus ei kuitenkaan ole vain passiivisesti tarkastella populaatiota, vaan muokata sen ympäristöä lääkkeillä. Ne muuttavat alatyyppien kelpoisuutta, sillä osa sietää niitä paremmin kuin toiset. Seuraava askel on ymmärtää, miten populaatio muuttuu stressitilanteessa ja testata eri solulinjoja lääkkeitä vastaan.
BIOLOGIA MUUTTUU
Mustosen professuuri on jaettu kahden tiedekunnan, matemaattis-luonnontieteellisen ja bio- ja ympäristötieteellisen, kesken. Hän teki väitöskirjansa tilastollisesta fysiikasta, mutta evoluutiotutkimus houkutti hänet jo yli kymmenen vuotta sitten biologisen datan pariin. Biologiasta on tullut yhä enemmän kvantitatiivinen tiede, kun datan määrä on kasvanut.
Datan määrä kasvaa nopeammin kuin laskentateho, eivätkä vanhat algoritmit enää pysty prosessoimaan sitä kaikkea. Siksi tarvitaan uusia, parempia laskennallisia menetelmiä.
Datatulvasta huolimatta biologiset aineistot eivät välttämättä ole näppärästi tutkijan saatavilla. Ne voivat myös olla kalliita tai soveltua tutkimuskysymykseen huonosti.
— Ei voi lähteä siitä, että data tulisi puhtaana ja antaisi helposti vastauksia niihin kysymyksiin, joita haluamme kysyä. Se vaati paljon työtä ja välivaiheita.
SYÖVÄN REAKTIO
Syövän osalta tavoitteena on oppia laskemaan, miten se reagoisi hoitoon.
Muutama vuosi sitten Mustonen testasi tilannetta, jossa olisi päästy reaaliaikaisesti monitoroimaan syöpäsolujen geneettistä koodia hoidon aikana. Hänen aineistonaan oli jo kuolleen leukemiapotilaan syöpäsoluista viidessä eri vaiheessa otetut näytteet. Niistä näkyi selvästi, kuinka ensimmäisessä vaiheessa lääke tehosi syöpäsolujen vallitsevaan muotoon, mutta myöhemmin vallitsevaksi nousi toinen alamuoto, johon lääkitys ei tehonnutkaan.
— Kaikki syöpätyypit ovat heterogeenisiä: niihin on syntynyt mutaatioiden kautta alamuotoja, jotka voivat reagoida lääkkeisiin eri tavoilla. Lääkärille voisi olla hyötyä tiedosta, että vallitseva muoto on vaihtunut ja hoitoakin on syytä vaihtaa, jos on olemassa toinen hoitovaihtoehto.
OIKEAN MAAILMAN ONGELMAT
Tulevaisuudessa evoluution ennustamisesta saattaa tulla rutiinia potilaiden hoidon suunnittelussa. Sitä ennen on kuitenkin selvitettävä monta avointa kysymystä.
Vielä ei ymmärretä, miten evoluutioprosessit etenevät laboratorio-olosuhteiden ulkopuolella. Toistaiseksi kokeita on tehty pääosin koostumukseltaan yhtenäisillä populaatioilla vakioidussa ympäristössä, kun todellisuudessa populaatiot koostuvat useista alamuodoista ja ympäristö muuttuu.
— Vaikka lääke tepsisikin solulinjaan laboratoriossa, se ei välttämättä toimi potilaassa. Kun mennään oikean maailman olosuhteisiin, kaivataan lisää tutkimusta, lisää faktoja.
Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehden numerossa Y/08/18.
Katso myös: Helsinki Institute of Life Science
Yliopisto-lehti on kaikille tarkoitettu, monipuolinen tiedelehti Helsingin yliopistosta.
Tilaa ja rakastu tieteeseen.