Miksi jotkut mikrobilajit aiheuttavat infektioita helpommin kuin toiset?

Tutkijoiden kehittämät matemaattiset mallit osoittivat, että bakteerit, joiden myrkyt eivät levinneet kauas ympäristöön, vaan vaikuttivat paikallisesti, pääsivät leviämään jo pienestä annoksesta. Sen sijaan kauas leviäviä myrkkyjä käyttävät, mutta muutoin täysin identtiset bakteerit tarvitsivat isomman annoksen, jotta infektio käynnistyi.

Jos elimistöösi pääsee vain kymmenisen solua punatautia aiheuttavaa Shigella-bakteeria, todennäköisyytesi sairastua on huomattavasti suurempi kuin jos altistuisit vastaavalle määrälle kolerabakteeria. Erilaisten taudinaiheuttajien niin sanottu infektiivinen annos eli tartunta-annos, joka todennäköisesti johtaa isännän sairastumiseen päästessään elimistöön, vaihtelee eri lajien välillä muutamasta solusta jopa miljooniin soluihin.

– Sekä Shigella- että kolerabakteeri kummatkin ovat vaarallisia taudinaiheuttajia, mutta niiden infektiivisissä annoksissa on lähes satatuhatkertainen ero. Halusimme ymmärtää mistä tämä johtuu, kertoo Jani Anttila, yksi artikkelin kirjoittajista bio- ja ympäristötieteellisestä tiedekunnasta.

Empiiristen havaintojen perusteella on aiemmin arveltu, että keskeinen syy vaihteluun piilee siinä millä etäisyydellä taudinaiheuttajien molekulaariset mekanismit vaikuttavat isännässä. Tiedetään, että osa taudinaiheuttajabakteereista hyökkää isäntäsolujen kimppuun suorassa lähikontaktissa, esimerkiksi injektoimalla myrkkyjä isännän immuunisoluihin solukalvon läpi. Toiset lajit taas hyödyntävät liukoisia myrkkyjä, jotka voivat kulkeutua pitkänkin etäisyyden päähän elimistössä ennen kuin ne vaikuttavat isäntäsoluihin. Tälläiset myrkyt voivat vuorostaan muokata bakteerin ympäristöä laajemmalla alueella.

Matemaattiset mallit auttavat ymmärtämään miten erilaiset mikrobien ominaisuudet ja käyttämät mekanismit vaikuttavat tautien kehittymiseen

Tutkijat testasivat aiemmin esitettyä hypoteesia, että infektiivinen annos riippuu siitä vaikuttaako taudinaiheuttajan mekanismit paikallisesti vai laajemmalla alueella: mitä paikallisempi mekanismi, sitä pienempi infektiivinen annos.

– Hypoteesin testaaminen kokeellisesti oikeilla taudinaiheuttajilla on monella tapaa haastavaa. Siksi mallinsimme ilmiötä matemaattisesti, jossa bakteerien, myrkyn ja immuunipuolustuksen käyttäytymistä voidaan kuvata melko yksinkertaisilla yhtälöillä ja säännöillä, selittää Eva Kisdi matemaattis-luonnontieteellisestä tiedekunnasta.

– Etuna tässä lähestymistavassa on erityisesti se, että pystymme hienosäätämään tarkasti bakteerin tiettyjä ominaisuuksia, esimerkiksi ainoastaan tuotetun myrkyn leviämisnopeutta, riippumattomasti kaikista muista bakteerin ominaisuuksista, jatkaa Helsingin yliopistossa aiemmin postdoc-tutkijana toiminut Joel Rybicki.

Tutkijoiden kehittämät matemaattiset mallit tukivat hypoteesia: bakteerit, joiden myrkyt eivät levinneet kauas ympäristöön, vaan vaikuttivat paikallisesti, pääsivät leviämään jo pienestä annoksesta. Kauas leviäviä myrkkyjä käyttävät, mutta muutoin täysin identtiset bakteerit tarvitsivat isomman annoksen, jotta infektioprosessi käynnistyi.

Tutkijat huomasivat lisäksi, että mikäli tartunta-annos oli iso, bakteerit jotka käyttivät helposti leviäviä myrkkyä hyötyivät enemmän toisten bakteeriyksilöiden tuottamista myrkyistä, ja sen seurauksena levisivät kudoksessa nopeammin.

Paikallisesti vaikuttavan myrkyn tapauksessa bakteerien leviämistä hidasti se, että jokainen bakteeri hyödytti tällä lähestymistavalla vain itseään ja välittömässä läheisyydessä olevia toisia bakteereja.

Tutkijat näkevätkin, että myös mikrobien tapauksessa yhteistyössä on voimaa.