Tilastotieteellä bakteerien kimppuun

Tilastotieteellä bakteerien kimppuun

Matemaatikko Jukka Corander tutkii bakteereiden evoluutiota. Mutta miten matematiikka liittyy bakteereihin ja miksi algoritmien kehittäminen voi olla tutkimuksessa ensiarvoisen tärkeää?

Bakteeri voi muuttua resistentiksi eli vastustuskykyiseksi tietylle antibiootille perimäänsä muuntelemalla. Uudet antibiootit voisivat antaa meille aikalisän, mutta kestävämpää ratkaisua haetaan rokotteista. Haasteena on kuitenkin se, että samasta bakteerista on useita, jopa kymmeniä alatyyppejä, jotka muuttuvat edelleen ja vaativat omanlaisensa rokotteen. Miten ne muuttuvat? Voisiko muutosta ennustaa tietyn alueen bakteerikannassa?

Nämä ovat kysymyksiä, joihin Jukka Corander kollegoineen on hakenut vastauksia tutkimalla bakteerien evoluutiota. Ryhmä selvitti hiljattain, että keuhkokuumetta ja muita infektioita aiheuttavan pneumokokkibakteerin kelpoisuus, siis kyky lisääntyä ja levitä, ei riipu niinkään muutoksista ydinperimän geeneissä, kuten oli uskottu, vaan pitkälti apugeeneistä, joita bakteeri nappaa helposti ympäristöstään. Olennaista on ennen kaikkea apugeenien yleisyys koko bakteerikannassa. He huomasivat myös, että kelpoisuus kehittyy hyvin samankaltaisesti pneumokokin eri kannoissa ympäri maailmaa siitä huolimatta, että kannat voivat olla hyvin erilaisia ydinperimältään.

”Olemme juuri osoittaneet, että sama ilmiö pätee myös kolibakteeriin”, Corander kertoo.

Tilastotieteilijä hurahti solubiologiaan

Jukka Corander aloitti vuosituhannen alussa tilastotieteen tutkijatohtorina biometrian tutkimusryhmässä Helsingin yliopistossa.

”Minulle syntyi palava halu ymmärtää solubiologiaa ja genetiikkaa syvällisesti, joten ensimmäiset pari vuotta luin sitä iltalukemisena, kun lapset olivat menneet nukkumaan. Se vei täysin mennessään.” 

Haastattelun aikana Corander ehtii piirtää bakteereita työhuoneensa tussitaululle ja funktioita liitutaululle, joka sijaitsee matematiikan ja tilastotieteen osaston käyvällä Kumpulan kampuksella. Pöytiinkin saa kirjoittaa. Hän kertoo, että monia asioita pyöritellään joukolla pohdiskellen, piirtäen ja kirjoittaen, ja harva asia ratkeaa hetkessä. Joskus ratkaisun tuo raaka työ, usein tarvitaan myös oivallus. Coranderille oivallukset tulevat tavallisesti juoksulenkillä. 

”On äärettömän palkitsevaa, kun löydämme ratkaisun mysteeriin, jota on mietitty jopa vuosia. Se voi tulla ihan puskan takaa jossain toisessa projektissa. Erittäin palkitsevaa on myös se, että tutkimustuloksemme voivat jonain päivänä pelastaa aika monia ihmishenkiä.”

Algoritmit nopeutuvat – tietokoneet eivät

Tällä hetkellä Corander toimii tilastotieteen professorina Helsingin yliopistossa sekä biostatistiikan professorina Oslon yliopiston lääketieteellisessä tiedekunnassa ja tekee tiivistä yhteistyötä lääke- ja biotieteiden tutkijoiden kanssa eri puolilla maailmaa. Corander on toiminut ryhmänjohtajana Suomen Akatemian Laskennallisen päättelyn huippuyksikössä vuosina 2012–2014 sekä yksikön varajohtajana vuosina 2015–2017.

Parhaillaan hän on mukana Suomen Akatemian AIPSE-akatemiaohjelmassa hankkeessa, jossa tutkitaan mikroskooppisen rakenteen määritystä tekoälyn avulla. Saman tekoälytutkimusrahoituksen alle kuuluu Akatemian ja Business Finlandin yhteinen ICT 2023 -ohjelma, jossa Corander tutkii yhdessä Antti Oulasvirran ja Samuel Kasken kanssa käyttäjän mukaan muovautuvaa tekoälyä.

”Laskennan menetelmiä on kehitettävä, kun soveltava tiede esittää vaikeita kysymyksiä. Toisaalta lääke- ja biotieteissä voidaan miettiä, mitä jos mittaisimme uudella tavalla, koska meillä on nyt mahdollisuus analysoida uudenlaista dataa”, Corander sanoo.

Tällä hetkellä bakteerien osalta kuuma kysymys on nopeus, jolla tietyn bakteerikannan evoluutiota voidaan mallintaa ja tulevaisuutta ennustaa. Nopeampia algoritmeja pitää kehittää, koska tutkimusaineistojen koko kasvaa jatkuvasti.

”Kun mallinsimme 3 000 bakteerin kantaa, aikaa meni kaksi viikkoa supertietokoneella. Mutta tutkimusaineistojen koko kymmenkertaistuu joka toinen vuosi, koska genomien sekvensointi eli tunnistaminen helpottuu. Kohta ollaan 30 000 bakteerissa, ja pian miljoonassa. Tietokoneet eivät enää juurikaan nopeudu, joten meidän on kehitettävä nopeampia algoritmeja.” Niitä on jo kehitettykin. Coranderin mukaan simulaatiomenetelmät ovat kiihdyttäneet mallintamisen vauhtia noin 1 000–10 000-kertaiseksi parissa vuodessa, mutta sekään ei riitä.

Matemaatikko Jukka Corander liitutaulun äärellä

”On äärettömän palkitsevaa, kun löydämme ratkaisun mysteeriin, jota on mietitty jopa vuosia. Se voi tulla ihan puskan takaa jossain toisessa projektissa. Erittäin palkitsevaa on myös se, että tutkimustuloksemme voivat jonain päivänä pelastaa aika monia ihmishenkiä”, professori Jukka Corander sanoo.

Tekoäly edistää lukuisia tieteenaloja

Simulaatiomenetelmät ovat työkaluja koneoppimisessa, joka on puolestaan tekoälyn osa-alue. Perinteisen tilastotieteen menetelmät ja simulaatiomenetelmät ovat samalla asialla. Ne etsivät suurista tietojoukoista säännönmukaisuuksia ja muodostavat niistä laskennallisia malleja, siis algoritmeja. Menetelmät lähtevät kuitenkin eri teille siinä vaiheessa, kun simulaatiotyökalu huomaa aineistoa kahlatessaan ja mallia rakentaessaan, että valittu suunta on selityskyvyltään huono. Se hakee lennosta uuden reitin.

”Tavallisesti nopeat ratkaisut ovat hieman epätarkempia kuin hitaat, mutta bakteeritutkimuksessa emme joutuneet tinkimään tarkkuudesta lainkaan”, Corander kertoo.

Simulaatiomenetelmät ovat houkutelleet biotieteiden ja tilastotieteen tutkijoita tiiviiseen yhteistyöhön tietojenkäsittelytieteilijöiden kanssa.

”Olemme osa Aalto-yliopiston ja Helsingin yliopiston yhteistä projektia, jossa luodaan muun muassa yleistä ohjelmistoa algoritmien kehittämiseen. Siihen voi kytkeä minkä tahansa simulaattorin, vaikkapa ilmastomallin tai mallin syöpäkasvaimen kehittymisestä tai mallin, joka pyrkii ennustamaan, miten ihmiset käyttävät kännykän käyttöliittymää.”

teksti: Marianna Salin
kuvat: Olli Urpela

Viimeksi muokattu 31.5.2018
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
TIETOSUOJASELOSTEET »
YHTEYSTIEDOT JA LASKUTUS »
KYSYMYKSET JA PALAUTE »