keskiviikko 22. huhtikuuta 2020

Älykkäät koronavirukset: Virusten päätöksenteko ja kommunikointi


Päätöksenteontutkijana minua on jo pidempään kiinnostanut ihmisten päätöksenteon ohella myös ei-inhimillisten olentojen päätöksenteko. Viehätyin esimerkiksi suuresti Peter Wohllebenin kirjasta Puiden salattu elämä, missä hän kertoo puiden välisestä kemiallisesta kommunikaatiosta.  Yhtä raflaavia suurelle yleisölle tarkoitettuja kirjoja ei ole tietääkseni kirjoitettu virusten tai bakteerien älyllisestä elämästä, mutta tieteellisiä artikkeleita melko jännillä otsikoilla aiheesta löytyy kyllä (katso alla oleva kuvio). 



Virusten älyllisen elämän tutkimus alkoi, kun Paul Turner ja Lin Chao tekivät vuonna 1999 puolivahingossa havainnon, että virukset kommunikoivat keskenään. He huomasivat myös, että viruksilla oli ihan oma versionsa vangin dilemmasta; joissain tilanteissa ne päättivät tehdä yhteistyötä ja toisissa käyttäytyä itsekkäästi. Muutamaa vuotta myöhemmin eli vuonna 2002 Euroopan molekyylibiologian organisaatio (European Molecular Biology organization EMBO) järjesti bakteerien kognitioon liittyvän konferenssin teemalla "Bacterial Neural Networks”. Ylläolevassa kuvassa mainitut Susan Goldenin ja Judith Armitagen artikkelit liittyvät siihen. Golden (2003) pohdiskeli, että tutkijoiden olisi ymmärtää bakteerien ”ajattelua”. Hän totesi artikkelissaan, että bakteerit eivät olekaan yksinkertaisia möllöttäjiä, niin kuin aiemmin on luultu. Ne muodostavat yhteisöjä ja sopeutuvat ympäristöönsä. Armitage tutkimusryhmänsä kanssa (2002) totesi bakteerien reagoivan käyttäytymisellään sekä ulkoisiin että sisäisiin signaaleihin. Ne käsittelevät monimutkaista tietotulvaa, tekevät nopeasti päätöksiä ja kommunikoivat keskenään. Näillä toiminnoillaan ne optimoivat leviämistään ja selviytymistään. Bakteerien toiminta vaikuttaa siis älykkäältä - ja hämmentää tutkijoita. Sittemmin sekä virusten että bakteerien kognition tutkimus on kehittynyt nopeasti ja julkaisuja viime vuosilta löytyy jo todella paljon. Poimin tuohon yllä olevaan kuvioon yhden kansantajuisimmista, eli Dolginin The secret social lives of viruses. Aihepiirin tutkimuksen kehittymistä kuvaa sekin, että on perustettu uusi tieteenala ”Sociovirology” liittyen virusten sosiaaliseen elämään. Tieteenalan katsotaan alkaneen Diaz- Muñoz et al. (2017) artikkelilla "Sociovirology: conflict, cooperation, and communication among viruses." 

Miten virukset kommunikoivat keskenään ja tekevät päätöksiä 





Elie Dolginin (2019) mukaan kun virus on vallannut solun, se lähettää toisille viruksille viestin pullauttamalla solusta ulos pienen proteiinin. Tämän avulla se viestittää veljesviruksille, että solu on vallattu. Virusten vallatessa yhä enemmän soluja, niiden viestintä käy yhä äänekkäämmäksi. Äänekäs viestintä kertoo, että infektoimattomia soluja on enää vähän jäljellä ja isäntäorganismi alkaa olla vallattu.  Tässä vaiheessa geenitutkijat ovat havainneet havainnut virusten keskustelevan vaihtoehdoistaan. Ne voivat joko jatkaa isäntäsolujen hajottamista tai aloittaa hitaamman vaiheen, jolloin virus integroituu osaksi isäntäsolua ja pysyy passiivisena (ikään kuin horroksessa) useiden solujakaantumisten ajan. Virukset saattavat tehdä myös yhteistyötä taltuttaakseen isännän ja tuhotakseen sen viruksia vastaan suunnatun puolustusjärjestelmän. Viruksilla näyttää olevan myös työnjakoa. Elie Dolginin mukaan tutkimuksissa on löydetty jopa 15 erityyppistä tehtävää, joihin kuhunkin liittyy oma signaalijärjestelmänsä. Vaikuttaisi, että virukset ovat erikoistunut tiettyihin tehtäviin. Osalle on langennut eturintamasotilaiden rankka rooli: niiden tehtävänä on hyökätä ensimmäisenä puolustusjärjestelmää vastaan. Käytännössä nämä virukset uhraavat itsensä muiden puolesta (”For the greater good”). Kun ensimmäinen aalto viruksia on hyökännyt ja kuollut, tulee toinen aalto ja sen jälkeen niin monta kuin tarvitaan tai viruksia riittää. Dolginin mukaan olennaisin virusten yhdessä tekemä päätös liittyy siihen pysytelläkö piilossa isäntäsolussa vai alkaako aggressiivisesti monistamaan itseään. Viruksilla on tiedustelusysteemi, mikä kertoo niille kumpi kannattaa tehdä.  

Kuten edeltä huomasit, virukset ovat aika ovelia vastustajia isäntäorganismin puolustusjärjestelmälle. Ne saattavat olla myös ovelia tunkeutuessaan sisään systeemiin. Marianita Santiana kertoo artikkelissaan (2018) mitä tutkijat ovat saaneet selville vatsatautia aiheuttavien rota- ja norovirusten leviämisestä ihmisen kehossa. Virukset matkustavat solujen välissä kuplamaisessa rakkulassa, eikä isäntäorganismin puolustusjärjestelmä huomaa viruksia lainkaan ennen kuin on liian myöhäistä. Samalla kun virukset leviävät rakkuloissaan ne kommunikoivat keskenään ja jakavat resursseja. Ei ole ihme, että näiden virusten aiheuttamat taudit ovat todella rajuja. Virukset ehtivät leviämään laajalle, ennen kuin puolustusjärjestelmä edes huomaa niitä. Ylivoiman edessä se sitten lamaantuu. Kun virukset toimivat ryhmänä, ne ovat paljon tehokkaampia kuin toimiessaan yksinään.

Voiko virusten käyttäytymistä pitää älykkäänä


Ladislav Kovac (2000) argumentoi, että kaikilla elävillä olioilla on vähintään minimaalinen käsitys ympäristön olennaisista ominaisuuksista. Niillä on lisäksi perinnöllistä, sisäistettyä tietoa, mikä kertoo niille miten missäkin tilanteessa kannattaa toimia. Nämä tiedot ja toimintamallit muodostavat yhdessä uskomusjärjestelmän. Pamela Lyon (2007) kirjoittaa kasaantuvan todistusaineiston osoittavan, että bakteerit kamppailevat samankaltaisten ongelmien kanssa kuin mitä ajattelemisen tutkijat selvittävät. Olennaisia kysymyksiä ovat esimerkiksi: miten integroida informaatiota useista eri lähteistä organisoidakseen tehokkaan reaktion, miten reagoida ympäristön muuttuviin olosuhteisiin, miten tehdä päätöksiä epävarmuuden vallitessa, miten kommunikoida muiden kanssa ja miten koordinoida kollektiivista toimintaa selviytymisen mahdollisuuksien maksimoimiseksi. Näiden tulosten valossa näyttäisi, ettei jonkinasteinen älykkyys ole todellakaan pelkästään ihmisten ominaisuus, vaan se kuuluu kaikille eläville organismeille kuten puille, pöpöille ja soluille.

Onko koronavirus älykkäämpi kuin muut virukset ?


Kun yksinkertainen elävä olio löytää tehokkaan tavan toimia jossain tietyssä tilanteessa, se noudattaa tätä tapaa täysin kaavamaisesti. Kovac (2000) sanoo, että yksinkertaiset organismit ovat tässä mielessä fanaattisia. Niillä ei ole kykyä oppia, ne toimivat aina samalla tavalla. Niiden toiminta perustuu perinnölliseen uskomusjärjestelmään, jonka avulla ne ”tietävät” miten toimia lähes kaikissa tilanteissa. Kun organisaatio on sopeutunut ympäristöönsä, se on täysin joustamaton. Joskus kuitenkin joku yksilö radikalisoituu kohdatessaan jonkun uuden tilanteen tai se saattaa omaksua jostain syystä täysin uuden uskomusjärjestelmän. Yksilö ottaa riskin ja mutatoituu. Jos se selviää hengissä, tämä uusi toimintamalli konvertoituu sisäänrakennetuksi tiedoksi ja siirtyy tuleville sukupolville. Jotain tämäntyyppistä on tapahtunut myös koronavirukselle (COVID-19) sen muuntautuessa jostain toisesta viruksesta sen nykyiseen muotoon.  

Jonkin verran on liikkunut huhuja, että koronavirus olisi ihmisten laboratoriossa kehittämä. Live Sciencen päätoimittaja Jeanna Bryner (2020) toteaa jutussaan “The coronavirus was not engineered in a lab. Here's how we know” ettei se ole mahdollista, koska viruksen mutaatio on ovelampi kuin mihin ihmiset olisivat pystyneet. Koronaviruksen rakenne mahdollistaa sen tarttumisen ihmissolujen pintaan tiukemmin kuin muut vastaavat virukset. Sen lisäksi, että se liittyy jämäkämmin solujen pintaan ja se myös leviää niissä nopeammin. Rakenteen perusteella se vaikuttaisi olevan mutatoitunut sars-viruksesta, jonka tarttumapinta oli heikompi. Mielenkiintoista on se, että tietokonemallinnusten mukaan kyseinen koronaviruksen COVID-19 käyttämä rakenne ei voi toimia. Jos tutkijat olisivat luoneet koronaviruksen, he eivät olisi valinneet rakennetta, mikä tietokonemallinnuksen mukaan ei toimi. Mutta luonto näyttää olevan ovelampi. Uusi koronavirus löysi tavan mutatoitua, mikä oli parempi ja täysin erilainen kuin mihin tiedemiehet olisivat pystyneet. Toinen kiinnostava seikka on, että virus näyttää mutatoituneen (tai ottaneen mallia) lepakoissa asuvista ihmisille täysin vaarattomista viruksista. Jos ihmiset olisivat tahallaan pyrkineet luomaan koronaviruksen, se olisi kehitetty jostain sellaisesta viruksesta minkä tiedetään olevan ihmisille vaarallinen. Vaikka nämä löydökset ovat alustavia, näyttää siltä, etteivät ihmiset olisi onnistuneet luomaan koronavirusta, koska sen mutaatio on ovelampi kuin minkä olisimme osanneet kuvitella. Ovelaa on sekin, että nykytietojen valossa ihmiset tuntuvat levittävän tautia jo ennen kuin heille itsellään on oireita ja osa taudinkantajista ei saa oireita ollenkaan. Jos virus olisi aggressiivisempi ja tappaisi uhrinsa aina, leviäminen pysähtyisi uhrin kuollessa. Jos kaikki sairastuneet oirehtisivat vakavasti, tauti ei leviäisi niin laajalle. Maailmanvalloitusprojektissaan korona on onnistunut todella hyvin. 

Ihmiset opettelevat virusten kieltä 


On vähän hämmentävää miten lääketiede kehittyy. Viime aikoina on Dolginin mukaan tutkittu mahdollisuuksia käyttää viruksia lääkkeille vastustuskykyisten bakteerien tuhoamisessa. Virukset tunkeutuvat bakteerien sisään ja tuhoavat ne. Keino ei kuitenkaan ole täysin uusi, sillä sitä on käytetty ennen antibioottien keksimistä noin 100 vuotta sitten. Kun antibiooteille vastustuskykyiset bakteerit lisääntynyt, se saattaa jälleen osoittautua tärkeäksi hoitomuodoksi. Steffanie Strathdee kertoo kirjassaan The perfect predator (2019) miten hän yhdessä useiden muiden tutkijoiden kanssa otti vanhan keinon käyttöön pelastaessaan miehensä hengen, kun tämä oli sairastunut tautiin mihin antibiootit eivät tehonneet. 



On tärkeää oppia virusten kieltä ja käyttäytymisen koodeja. Mitä enemmän tiedämme, sitä paremmin voimme taistella niitä vastaan – tai käyttää niitä omiin projekteihimme. Jo pelkästään häiritsemällä virusten kommunikointia, voimme vaikuttaa paljon. Tuntuu siltä, että mahdollisuuksia saada virukset ja bakteerit hallintaan on paljon. Toki vastustaja on ovela, koska se ei ole stabiili ja muuntuu yrittäessämme saada siitä otetta. Meillä on kuitenkin apunamme tietokoneet ja huomattavan paljon kehittyneempi kommunikointijärjestelmä kuin viruksilla ja bakteereilla. 

Ps. Toivon, että asiantuntevat lukijat antavat minulle anteeksi termien suurpiirteisen käytön. Olen  pyrkinyt popularisoimaan hankalahkoa tieteellistä aihetta ja siksi välttänyt vaikeiden termien käyttöä. Esimerkiksi jossain kohtaan olisi virusten sijaan ollut ilmeisesti oikeampi termi faagi, joka Wikipedian mukaan on sellainen virus, joka loisii bakteerissa ja tuhoaa sitä. Lisäksi tiedemiehet kiistelevät siitä ovatko virukset ja bakteerit eläviä. Koska ne ikävän eläväisiltä omasta mielestäni tuntuvat, olen ohittanut tuon problematiikan kokonaan. Lukemani artikkelit olivat haastavia ja sisälsivät yhteiskuntatieteilijälle paljon vaikeaa biologian ja lääketieteen erikoissanastoa.  Popularisointi vaati mielikuvitusta. 


Kiitos alussa olevasta koronaviruksen kuvasta CDC/ Alissa Eckert, MS; Dan Higgins, MAMS


Käytetyt lähteet

  • Armitage, Judith P., et al. "Thinking and decision making, bacterial style: Bacterial Neural Networks, Obernai, France, 7th–12th June 2002." Molecular microbiology 47.2 (2003): 583-593.
  • Bryner, Jeanna (2020): “The coronavirus was not engineered in a lab. Here's how we know”, Live Science -nettisivusto , March 21, 2020 https://www.livescience.com/coronavirus-not-human-made-in-lab.html
  • Díaz-Muñoz, Samuel L., Rafael Sanjuán, and Stuart West. "Sociovirology: conflict, cooperation, and communication among viruses." Cell host & microbe 22.4 (2017): 437-441. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1931312817304018
  • Dolgin, Elie. "The secret social lives of viruses." Nature570.7761 (2019): 290-292. https://www.nature.com/articles/d41586-019-01880-6
  • Dou, Chao, et al. "Structural and functional insights into the regulation of the lysis–lysogeny decision in viral communities." Nature microbiology 3.11 (2018): 1285-1294.
  • Golden, Susan S. "Think like a bacterium." EMBO reports 4.1 (2003): 15-17.
  • Kováč, Ladislav. "Fundamental principles of cognitive biology." Evolution and cognition 6.1 (2000): 51-69.
  • Lyon, Pamela. "From quorum to cooperation: lessons from bacterial sociality for evolutionary theory." Studies in History and Philosophy of Science Part C: Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences 38.4 (2007): 820-833.
  • Santiana, Marianita, et al. "Vesicle-cloaked virus clusters are optimal units for inter-organismal viral transmission." Cell host & microbe 24.2 (2018): 208-220.
  • Strathdee, Steffanie, and Thomas Patterson (2019): “The Perfect Predator: A Scientist's Race to Save Her Husband from a Deadly Superbug: a Memoir”, Hachette UK, 2019.
  • Turner, Paul E., and Lin Chao. "Prisoner's dilemma in an RNA virus." Nature 398.6726 (1999): 441-443.
  • Wang, Xiaoshan Shayna, et al. "A Genetically Encoded, Phage‐Displayed Cyclic‐Peptide Library." Angewandte Chemie International Edition 58.44 (2019): 15904-15909.
  • Xue, Katherine S., et al. "Cooperating H3N2 influenza virus variants are not detectable in primary clinical samples." MSphere3.1 (2018): e00552-17.