Umeåforskare utvecklar världens första atlas över mikrober

I ett pionjärprojekt vid Umeå universitet utvecklar Laura Carroll och hennes forskargrupp singelcellsteknik för att kartlägga mikrober i detalj. Målet är en atlas över mikrobiella celler som kan bana väg för både effektivare smittspårning och mer träffsäkra behandlingar.

Dagens mikrobiomforskning bygger till stora delar på att analysera allt genetiskt material i ett prov samtidigt. Det ger en översikt, men gör det svårt att avgöra vilka mikrober som faktiskt finns i populationen och vilken roll de spelar. Men vid Umeå universitet pågår ett forskningsprojekt som kan komma att rita om kartan för hela mikrobiologin. Laura Carroll, forskare och biträdande lektor, leder arbetet med att utveckla metoder som gör det möjligt att analysera mikrobiom på en detaljnivå som tidigare legat utom räckhåll.
– I dag betraktas bakteriepopulationer som homogena, men i verkligheten rymmer de stor variation. I detta projekt siktar vi på att urskilja de enskilda mikroberna och förstå deras funktion.

Detaljanalys av mikrober
Tillsammans med forskarkollegan Johan Henriksson har Laura Carroll utvecklat en metod för singelcellsanalys av mikrober, ett område som länge varit tekniskt utmanande.
– Singelcellsteknik revolutionerade humanbiologin för tio år sedan, men mikrober är mycket svårare att arbeta med. Nu börjar vi äntligen komma i kapp utvecklingen på den fronten.
Arbetet sker i en tvärvetenskaplig miljö. Gruppen består av bioinformatiker, mikrobiologer, matematiker och molekylärbiologer som tillsammans driver utvecklingen framåt. Deras resultat har redan flyttat fram positionerna inom forskningsfältet. Där äldre metoder bara har kunnat analysera ett begränsat antal celler kan den nya tekniken hantera upp till en miljon individuella bakterier i ett enda prov. Det innebär en dramatisk ökning av både upplösning och datamängd.
– Vi var bland de första i världen att ta fram singelcellsgenomiska data från komplexa bakteriepopulationer, berättar Laura Carroll. Men framsteget förde också med sig ett nytt problem, hur de enorma datamängderna skulle hanteras och analyseras.

Zorn
För att hantera den utmaningen sökte Laura Carroll extern finansiering och fick napp.
– Tack vare Stiftelsen för strategisk forskning kan vi ta nästa steg och utveckla de bioinformatiska metoder som krävs för att arbeta med datan i full skala.
Nu ligger fokus på att kunna ta hand om datan. Forskargruppen utvecklar avancerad mjukvara för att tolka de väldiga datamängderna. Verktyget, som har fått namnet Zorn, hör till de första i sitt slag och ska göras fritt tillgängligt.
– Utan analysverktyg är datan i princip oanvändbar. Vårt mål är att skapa metoder som alla kan använda, inte bara specialister, säger Laura Carroll.
Ambitionen är hög. På sikt vill forskarna skapa en omfattande atlas över mikrobiella celler.

Stor betydelse
Den ökade detaljnivån kan få stor betydelse, inte minst i kliniska sammanhang. I dag vet man att vissa bakterier överlever antibiotikabehandling, men inte exakt vilka eller hur de beter sig inom populationen.
– Med singelcellmetoder kan vi identifiera dessa populationer och förstå varför de klarar sig. Det kan leda till mer träffsäkra behandlingar och bättre diagnostik, särskilt i situationer där variationen inom en bakteriepopulation är stor.
Laura Carroll betonar att tekniken fortfarande befinner sig i ett tidigt stadium, både experimentellt och beräkningsmässigt.
– Inom metagenomik har forskare arbetat i decennier för att förfina metoderna. Vi är bara i början och kommer också behöva tid för att förbättra tekniken och få mer tillförlitliga och representativa data.
Laura Carroll berättar att drivkraften bakom projektet i grunden är enkel: att ständigt lära mer.
– Jag älskar att upptäcka saker som ingen har sett tidigare och känslan av att hela tiden bli bättre och bidra till ny kunskap.
På frågan om vad som är det bästa med jobbet kommer svaret snabbt:
– Det bästa är människorna jag arbetar med och att få bedriva forskning i Sverige. Vi arbetar tillsammans mot ett gemensamt mål och just nu känns det som att jag har lyckats samla ett riktigt dreamteam!