Teaduskogud kui aarete laekad

Molekulaar- ja rakubioloogia instituudis säilitatakse mitmeid teaduslikke kogusid ehk kollektsioone, mis on osa Eesti teadusvaramust. Kollektsioonide hankimise või loomise taga on põlvkondade ülene, tihti aastakümnete pikkune töö, kollektsioonid ise aga kestliku ja hindamatu väärtusega õppe- ja teadustöös. Kuidas teaduslike museaalide täiendamine ja nende eest hoolitsemine käib? 

Mis teeb kogust teaduskogu?

Teaduskollektsioonid on teaduslike museaalide kogumid ehk teadusväärtusega esemete kogud, millel on nii praktiline kui ka ajaline kestev väärtus. Neid säilitatakse nii nagu teisi kestlikke kollektsioone. Teaduskogud võivad olla nii loodusest iseloeeritud kui laboris konstrueeritud materjali kogud.

Meie teadlased omavad pikaajalisi rahvusvahelistele standarditele vastavaid teaduskogude haldamise kogemusi. Ametlikud teaduskogud tegutsevad kindlate reeglite alusel. Kogusid hooldatakse, täiendatakse, süstematiseeritakse. Kõik kogud ei ole õppe- ja teadustöös kasutusel, need võivad olla kas täiesti või osaliselt kinnised kogud, mida haldab näiteks ettevõte. Proovide vahetust ja väljastamist soovijatele siis ei toimu, koostöö realiseerub läbi tootearenduse lepingute. Teaduskogud on sageli koondunud võrgustikesse.

Kas igal uurimisrühmal on mõtet pidada oma kogu?

Kuidas on mõttekas tegutseda: kas luua oma kogu või tellida vajaminev proovimaterjal mõnest olemasolevast kogust sisse? Asutustel, mis teevad ka õppetööd, näiteks mikrobioloogias, on kindlasti vaja oma kogu, kuna teisiti ei ole võimalik läbi viia praktikume, kus on vaja pidevalt võtta kasutusele kümned tüved. Lisaks on mõned tüved unikaalsed selles mõttes, et selliste omadustega tüvesid ei pruugi olla võimalik kusagilt tellida.  
Proovide tellimine mõnest teisest kogust on seotud kuludega: ühe tüve hind võib olla sada kuni paarsada eurot. Näiteks mikroobiproovi tellimise kõige soodsam variant on tellida see külmkuivatatult ning panna saabudes sobivale söötmele kasvama. Üles kasvatatud proov ei tohi „otsa saada“, teda tuleb lisaks söötmetassile (Petri tassile ehk rakukultuuri tassile, kuhu on lisatud sööde) ka viaalis ehk spetsiaalses topsikeses talletada. Tassi peal säilivad rakud umbes kuu aega, kuid kuna katsetegevus on tavaliselt sellest ajast pikem ning teadlaste rahastusmudel ebastabiilne, on viaalis talletamine ja sügavkülmutamine uue kultuuri tellimisega võrreldes mõistlikum. Lisaks kipuvad mikroobid tassi peal säilitades ka evolutsioneeruma.

Tüved, mida on kasutatud või kirjeldatud mõnes teadusartiklis, tuleb teadlasel alles hoida, kuna tegemist on avaliku teabega, millele peab olema avatud teaduse printsiipide kohaselt juurdepääs kõikidel teistel teadlastel. Teiste sõnadega on teadlasele pandud kohustus selline materjal säilitada.

Teadlased üle maailma teevad omavahel koostööd ning üheks koostöö vormiks on ka tüvede tellimine teistest kogudest või tüvede vahetus. Mikroobitüvede väljastamine toimub materjalide üleandmise lepinguga.

Kui kaua kogu säilib?

Sobilike säilitamistingimuste juures säilivad teaduslikud kogud sadu aastaid. Enamasti kogu proovid sügavkülmutatakse ultrakülmikus (-80 kraadi juures) või hoitakse neid veeldatud lämmastikuga täidetud krüomahutites (-179 kraadi juures, näiteks Tartu Ülikooli Eesti Geenivaramu biopank). Mõistagi on sellisel talletamisel ka oma hind ja keskkonnajälg.

Kogu hoidmisriskid

Teadlane, kes ainult oma teadustöö tarbeks või oma teadustöö tulemusena tekkinult hoiab näiteks paari mikroobitüvede karbikest ultrasügavkülmikus, ei pea liigselt kurvastama, kui külmik rikki läheb ja proovid hävinevad. Tal tuleb lihtsalt uuesti alustada. Sellisele teadlasele ei ole pandud otseselt kohustust tagada proovide säilivus.  
Kui aga näiteks defineeritakse uus bakteriliik, siis peab isoleeritud tüvi olema antud hoiule vähemalt kahte ametlikku (s.t registreeritud) mikroobikollektsiooni, millest vähemalt üks peab paiknema isoleerijast teises riigis ehk välisriigis. Sellise tegevuse eesmärk on tagada liikidele kõikide teistegi teadlaste juurdepääs ning tagada liigi säilimine, kui originaalse säilituskultuuriga midagi juhtub – näiteks hoiutingimused veavad alt ja kogu sulab üles või ohustab kogu julgeolekurisk.  

Järgnevalt teeme juttu meie instituudis paiknevatest teaduskogudest.

Keskkonna- ja laboratoorsete mikroobitüvede teaduskollektsioon CELMS

Eeva Heinaru on ainus, kes on täna TÜMRI-s jätkuvalt tööl nendest inimestest, kes päris algusaastatel mikroobide kogumisega tegelema hakkas. Kollektsioon sai alguse praktilisest vajadusest – praktikumide läbiviimiseks oli vaja meid ümbritsevast loodusest isoleerida, puhastada ja iseloomustada mikroobitüvesid. Suur hulk mikroobe isoleeriti ja identifitseeriti aastatel 1988 – 1991. Kogu loomise algataja oli geneetika professor Ain Heinaru, kes on öelnud, et mikroobne elu on imeliselt mitmekesine ja väärtuslik uurimismaterjal rahvusliku kollektsioonina. Enne instituudi kolimist Riia tänava hoonesse assisteeris mikrobioloogia õppejõu Laine Viilebergi ja mikrobioloogia dotsent Tiina Alamäe mikrobioloogia praktikume Laial tänaval Ene Talpsep. 1974. aastal andis Laine Viileberg välja esimese Tartu Riikliku Ülikooli kirjaliku õppematerjali mikrobioloogia kohta.

Algusaastad olid rasked, kuid väga huvitavad. Kogusse isoleeritud tüvesid oli võimalik hoida +4 kraadi juures, kuna paremaid hoiutingimusi ei olnud, ja see tähendas, et säilitamise huvides oli vaja tüvesid pidevalt käsitsi ümber külvata ehk teha korduskülve. +4 kraadi juures säilivad tüved paarist nädalast maksimaalselt paari kuuni, ümberkülv on aga aja- ja töömahukas: vaja on valmistada sööde ja valada söötmeplaadid, teha külv, lasta tüvel kasvada, puhtuse kontrolliks jälgida külve mõne aja jooksul ja siis teha ümberkülv samale või mõnele uuele söötmele. 

Molekulaar- ja rakubioloogia instituudi loomise aegu (1990 ja edaspidi) toimus loengute ja praktikumide uuendamine. Hakkasime koos Ene Talpsepaga 1993. aastal üliõpilastele mikrobioloogia praktikume läbi viima. Kahjuks polnud meil materjali, mida uurida. Raskusi oli mikroskoopidega. Mõned uurimiseks vajalikud tüved saime hankida tolleaegsest sanitaar-epidemioloogia jaamast. Need tüved polnud aga eriti usaldatavad ja nii tuli ise loodusest mikroobe isoleerima ja identifitseerima hakata. Sisse oli vaja seada  mikrobioloogia praktikumide läbiviimise metoodika.

Eeva Heinaru meenutus

Kogu ametlikuks loomise aastaks loetakse aastat 1995, siis pandi kogule ka nimi, keskkonna- ja laboratoorsete mikroobitüvede teaduskollektsioon, akronüümiga CELMS (Collection of Environmental and Laboratory Microbial Strains). Kogu olulisus seisneb selles, et säilitatud ei ole mitte ainult DNA järjestusi mikroobidest arvutis vaid kogus on hoiul päris elus mikroobid. Mikroobikogu on seega oluline bioloogilise mitmekesisuse hoidja. 

Mikroobitüvesid on selles kogus kahte liiki: loodusest isoleeritud tüved ja laboratoorsel meetodil saadud tüved. Viimaste osakaal kataloogis on väike. Need on näiteks tüved, mis on loodusest isoleeritud, kuid kui uurimustöö jaoks on olnud vaja eristada koosluses erinevaid tüvesid, on lisatud genoomi fluorestseeruvaid valke kodeerivad geenid. Seetõttu nimetatakse neid laboratoorselt selekteeritud või konstrueeritud mutantseteks bakteritüvedeks. 

Loodusest isoleeritud mikroobid võivad tihedal ümberkülvil laboris kultiveeritavuse pigem kaotada. Konkreeetsest keskkonnast eraldatud mikroobidel on nii feno- kui ka genotüübilised tunnused looduse poolt püsivalt paika pandud. Keskkonna surve puudumisel, laborikeskkonnas, võivad tekkida nende kultiveerimisel probleemid. Siin aitab mõnevõrra nende säilitamine glütserooli stockidena sügavkülmas.

Kogus on ka teistest rahvusvahelistest kollektsioonidest ostetud või teadlastelt annetustena saadud tüvesid.

Aastas lisandub kogusse keskmiselt saja uue proovi ümber. Isoleerime neid meid ümbritsevast keskkonnast, näiteks veekogudest ja tuhamägedelt. Nii keskkonnatingimuste muutumise kui ka evolutsiooni tulemusel võivad looduslikud kooslused muutuda ja nii võivad kogus olla tallel kogu-unikaalsed tüved, mis on kord loodusest isoleeritud, kuid mida enam loodusest ei leia. Teoreetiliselt võib juhtuda ka vastupidine – laboris konstrueeritud tüvi, mida looduses ei esine, võib loodusesse jõuda, küll aga on vähem tõenäoline tema säilimine ja levik looduses sellisena nagu ta laboris oli. Näiteks 1988. aastal toimunud Estonia kaevanduse põlengu kustutamisel tekkinud fenoolirikka vee puhastamiseks kasutati bakteritüvesid, millest looduslikele tüvedele on üle kandunud fenooli langundamist kodeeriv pheBA operon. Selliseid tüvesid on senini isoleeritud saastunud tööstuspiirkonnast. 

Signe Viggor, geneetika teadur, CELMS kogu eest vastutaja

Alates 2008. aastast kuulub kollektsioon ülemaailmsesse kultuurikollektsioonide liitu (World Federation of Culture Collections, World Data Centre for Microorganisms, WFCC-MIRCEN; registreerimisnumber 926) ja Euroopa mikroobikultuuride kollektsioonide organisatsiooni (European Culture Collections’ Organisation, ECCO). Teaduskollektsiooni finantseerimine toimub Haridus- ja Teadusministeeriumi poolt.  

Hiljuti ilmus mikroobide kultuurikogust lühike ülevaade sarjas Tartu Ülikooli Ajaloo küsimusi.

Kogu kasutatakse teadustöös, mh bakalaureuse- magistri- ja doktoritöödes, samuti ka olümpiaadide läbiviimisel ja teaduse populariseerimistegevustes. 

Õppeained, kus mikroobikogust võetud proove täna kasutatakse: 
Mikrobioloogia ja viroloogia praktikum 
Geneetika praktikum 

Huvitavat:  
Mootorpurjekas Admiral Bellingshauseni Antarktika ekspeditsiooni raames kogusid junga Julius Tarand (tegi purjekal kaasa palju etappe) ja TÜMRI vivaariumi juhataja Sulev Kuuse (tegi purjekal kaasa ühe etapi Brasiiliast Argentiinasse ja võttis proove Brasiilia šelfialadelt 2019. aasta detsembris) ookeanist ja rannikuvetest üle poolesaja veeproovi, millest Eeva Heinaru isoleeris ja määras ära mitukümmend mikroobitüve, mis täiendavad nüüd kollektsiooni.

---

Erinevad pärmide kogud 

Veel ühele loodusest eraldatud tüvedest mikroobide kollektsioonile pani TÜMRI-s alguse dotsent Tiina Alamäe 1980. –1990. aastatel. Kollektsiooni loomise vajalikkus tulenes tema enda tööst, mis oli seotud suhkrute transpordi ja metabolismiga pärmides. Tegemist oli erinevate pärmidega – nii metsiktüved kui ka mutandid. Kollektsiooni esimesed eksponaadid sai ta teiste riikide teadlastelt neid küsides. Tüved säilivad säilituskultuuridena sügavkülmas -80 kraadi juures. Samamoodi hakati säilitama kõiki enda töögrupis isoleeritud tüvesid ja konstrueeritud mutante. Kogus on nii baktereid (umbes 150 bakterit puhaskultuuris) kui pärme (umbes 100 pärmiliiki). Praegu tegeleb kollektsiooni ning selle täiendamisega mikrobioloogia kaasprofessor Triinu Visnapuu. Looduslikke baktereid eraldatakse näiteks kartuli- ja maasikasortidelt. Enamik kogusse kuuluvatest mikroorganismidest on meie teadlaste endi poolt iseloeeritud, mõned aga ka tellitud teiste riikide kultuurikollektsioonidest.  

2005. aastal saabus TÜMRI-sse EUROSCARFi kollektsioon pagaripärmi mutantidest, mille hankis praegune epigeneetika professor Arnold Kristjuhan. Kollektsiooni aluseks on Euroopa Molekulaarbioloogia Organisatsiooni (EMBO) Heidelbergi laboris asuv kogu. Pagaripärmi genoomis on üle 6500 geeni. See kollektsioon sisaldab ligi 4500 pärmitüve, mille genoomist on ükshaaval geene kustatatud (välja lõigatud). Igas mutantses tüves on puudu üks geen. Kõiki geene genoomist eemaldada ei saa, sest osa neist on elutähtsad raku põhiprotsesside toimumiseks. Kogu saabumisel Eestisse külvati kõik kogu proovid ümber ja pandi hoiule –80 kraadi juurde.  

Mastaapse kogu sisseseadmise tööga tegelesid kolm uurimisrühma (Arnold Kristjuhani, Tiina Alamäe ja Juhan Sedmani rühmad) ligi neli aastat. Kollektsioon saabus külmutatuna 96-kannuste PCR plaatide peal. Tartus viidi kollektsioon aga teise formaati – iga üksiku geeni mutant võeti plaadilt välja, pandi eraldi topsi, mida nimetatakse viaaliks ja külmutati. Loodi kohalik kollektsiooni kataloog 4500-st viaalist, mis võimaldab saada kiiresti ülevaate, mis kus asub ning uurida igat 4500-t pagaripärmi geeni eraldi. Seda kollektsiooni kasutavad molekulaarbioloogia professor Tiina Tamm ja epigeneetika professor Arnold Kristjuhan oma töörühmadega, et uurida pärmiraku käitumise biokeemilisi radu.  

 
Eesti loodusest kogutud pärmide kollektsioon „Eesti Pärmivaramu“ 

Sellele kollektsioonile pandi alus 2018. aastal, kui rohkem kui 30-st koolist õpilasi kaasav teadusprojekt „101 pärmitüve Eesti loodusest“ andis tõuke pärmseente leviku uurimisele Eestis. Kokku isoleerisid õpilased üle riigi enam kui 1500 pärmitüve. Selgus, et pärmseened on Eestis laialt levinud mikroorganismid.  

Kollektsioon koondab ainult Eesti loodusest isoleeritud pärmitüved: liike on 167, erinevaid tüvesid aga ligi 3500. Kollektsioon on pidevas täienemises, sellesse panustavad molekulaarsete bioteaduste magistriõppekava üliõpilased igal aastal õppetöö käigus, isoleerides loodusest kogutud proovidest aina uusi pärmiliike.    

Alates 2023. aastast kuulub kollektsioon ülemaailmsesse kultuurikollektsioonide liitu (World Data Centre for Microorganisms). Kollektsiooniga tegelevad professorid Tiina Tamm ja Arnold Kristjuhan ning nende töörühmad. 

Kes on pärmid, kui palju neid meie ümber leidub, mida nad teevad, kuidas neid määratakse ja kus neid igapäevaelus kasutada saab, sellest annab ülevaate Pärmivaramu kodulehet.

Kohalikku pärmirikkust me palja silmaga ei näe. Nii nagu on vaja kaitsta meile omapäraseid taime- ja loomaliike ning hoida silma peal, et seoses inimtegevuse- ja kliimamuutustega ei võtaks võimust võõrliigid, on vaja kaardistada ja kaitsta ka meie pärmirikkust. Pärmseente kooslus on kohapaikne ning just meile omased liigid on kasutatavad meie tööstuses ja põllumajanduses. Kohalik pärmide mitmekesisus ei tohi kaduda, võõrliikide sissetoomine peab olema sedavõrd kontrollitud, et kohalikud välja tõrjutud ei saaks.

Mõned näited kogude praktilisest kasutamisest instituudi käimasolevates projektides:

• Bioloogilise taimekaitsepreparaadi välja töötamine CELMS kollektsiooni isoleeritud seene- ja bakteritüvede kaasabil.
• CELMS kollektsiooni Pseudomonase tüvede kasutamine keskkonnafaagide peremeesringi ulatuse määramiseks. 
• CELMS kollektsiooni Pseudomonas putida keskkonnatüvedest profaagide (bakterigenoomi sisenenud mõõdukate faagide ehk bakterite viiruste) aktiveerimine.  
• Eesti Pärmivaramu abil loodetakse vähendada taimekasvatuses kemikaalide kasutamist.

Lisaks eelpool nimetatutele on TÜMRI-s üles ehitamisel keskkonnafaagide kollektsioon CEPEST, mille esimene versioon 67 bakteriofaagi isolaadiga on küll publitseeritud, kuid töö laiendamise nimel käib edasi. Kollektsiooniga tegelevad Rita Hõrak, Hedvig Tamman ja Andres Ainelo.

Hea teada:  

• Teaduskollektsioonid on praktilised ja ajaliselt kestva väärtusega teaduslike säilikute kogumid. Neid säilitatakse nii nagu teisi kestlikke kollektsioone. 
• Meie instituudis säilitatavad teaduskollektsioonid on bioloogilise potentsiaali varalaekad, bioloogilise mitmekesisuse hoidjad, kus on hoiul tulevaste avastuste saladused. 
• Kollektsioonide proovid säilivad sobilike tingimuste juures sadu aastaid.  
• Kogudesse panustamine on põlvkondade ülene järjepidev teadlasi siduv tegevus, mis ületab riigipiire ja kontinente. 
• Ühes kogus on enamasti alati koos nii endiste kui praeguste teadlaste töö ja panus.  
• Kogud ei hoia ainult mineviku või oleviku pärandit vaid vaatavad ka tulevikku. Kuna keskkond meie ümber on pidevas muutuses, muutub ka see, mida ja kuidas kogudesse talletada.  
• Kogudes võib olla hoiul tüvesid, mis on looduses välja suremas kliimamuutuse tõttu. Neid tüvesid saab kasutada erinevateks rakendusteks. Kasutusvõimalused on laiad, kõige kohta pole meil täna veel teadmisi.  
• Kogud tegutsevad kindlate reeglite alusel. Ametlikud mikroobikogud on näiteks koondatud ülemaailmsesse mikroobikogude võrgustikku. Eestis on 6 ametlikku kollektsiooni, millest kaks on meie instituudis: CELMS ja pärmitüvede kollektsioon 101TYVE. 
• Teaduskollektsioonid leiavad rakendust mitmesugustes uuringutes: keskkonna- ja kliimamuutused (keskkonna biotehnoloogia, ökosüsteemi uuringud), tööstuslikud rakendused (biokütused, põllumajandus – nt biotõrje ja mullastiku toitainete rikkus, toiduainetetööstus), meditsiiniuuringud (antibiootikumiresistentsus, farmaatsiatööstus), jäätmekäitlus, loomulikult ka mitmesugustes teadusuuringutes (nt rakubioloogias, molekulaarbioloogias, pärilike haiguste uuringutes jne).  
• Nii nagu loomaaiad vahetavad omavahel loomi, on täiesti tavaline ka see, et mikroobikollektsioonide hoidjad suhtlevad omavahel ning saadavad oma mikroobitüvesid välja teiste riikide teadlastele. Nii on ka Eesti kogudest proove välja saadetud ja siia proove vastu võetud.   

* https://www.nature.com/articles/s41580-022-00505-7

Fotod:
päisefoto Riho Teras – toiteagaril kasvavad mikroobikolooniad
teised fotod – Teele Eensaar

Loo autor:
Teele Eensaar (TÜMRI projektijuht)