Drożdże piekarnicze nie są wykorzystywane tylko do wypieków, tak samo, jak muszka owocowa nie jest tylko irytującym insektem, pojawiającym się wokół owoców. Podobnie, jak rzodkiewnik pospolity – chwast, który okazuje się przydatny. Wszystkie te organizmy, jak i wiele innych, zaliczamy do grupy organizmów modelowych, którym powinniśmy być bardzo wdzięczni. Bakterie, kukurydza czy drożdże pozwoliły na poznanie wielu aspektów biologii molekularnej, natomiast muszki, nicienie, rybki czy myszy umożliwiły badanie rozwoju organizmów. Organizm modelowy to gatunek, który reprezentuje daną grupę – rodzaj, rząd lub królestwo. Ważnym jest, by posiadał jak najwięcej z wymienionych poniżej cech, ułatwiających badania prowadzące do poznania podstawowych procesów biologicznych. To, z kolei, pozwala na odkrycie bardziej złożonych mechanizmów zachodzących w organizmie człowieka.
Cechy idealnego organizmu modelowego:
- Małe rozmiary;
- Krótki cykl życiowy – pozwala na analizę wzorów dziedziczenia;
- Duża liczba potomstwa – umożliwia wiarygodną analizę statystyczną;
- Łatwy i tani w hodowli laboratoryjnej;
- Mały, poznany genom;
- Niepatogenny;
- Brak problemów etycznych;
- Łatwość dokonywania manipulacji genetycznych;
- Łatwość indukcji mutacji – w celu poznania funkcji badanych genów;
- Łatwy dostęp informacji i technik badawczych;
- Na tyle złożony rozwój, aby umożliwić analizę złożonych procesów życiowych.
Przedstawione powyżej cechy na pewno nie są zbyt zaskakujące. W końcu kluczowym jest, by badania przeprowadzać sprawnie, a co najważniejsze – tanio. Co więcej, dzięki takim cechom, organizmy modelowe mogą być wykorzystywane przez wiele, rozsianych po całym świecie, laboratoriów. Pracujący w nich naukowcy mogą jednocześnie dokonywać wielu przełomowych odkryć, jak i stale udoskonalać techniki badawcze oraz uzupełniać bazy danych, które są wykorzystywane do innych eksperymentów.
Przykładowe organizmy modelowe:
- Escherichia coli – pałeczka okrężnicy
Jest to gram-ujemna bakteria, należąca do rodziny Enterobacteriaceae, którejmiejscem zamieszkania jest jelito grube ssaków. W momencie, gdy pałeczka okrężnicy dostanie się do innych narządów niż jelito, może przyczynić się do wystąpienia m.in. zatrucia pokarmowego. Co najważniejsze, posiada większość cech wymaganych dla idealnego organizmu modelowego. Badania nad tą bakterią umożliwiły poznanie wielu mechanizmów genetycznych, w tym procesów replikacji DNA, transkrypcji i translacji oraz ogólnej regulacji ekspresji genów. E. coli jest również powszechnie wykorzystywana w biologii ewolucyjnej. Wiele korzyści przyniosła także przemysłowi farmaceutycznemu i biotechnologicznemu, gdzie jest wykorzystywana do produkcji, np. insuliny czy hormonów wzrostu.
- Saccharomyces cerevisiae – drożdże piekarnicze
Bez wątpienia posiadają praktycznie wszystkie cechy charakterystyczne dla idealnego organizmu modelowego. Są organizmami jednokomórkowymi, ale ich komórki nie różnią się znacznie pod względem złożoności budowy od komórek pozostałych organizmów. Przede wszystkim nie są wymagające, jeśli chodzi o warunki hodowli. Co więcej, wiele z genów drożdżowych to homologi (geny o wysokim stopniu podobieństwa, występujące u różnych organizmów) genów ludzkich, co jest niesamowicie przydatne w badaniach medycznych. Charakteryzuje je łatwość manipulacji genetycznych oraz możliwość wykorzystywania prostych technik badawczych. Z wykorzystaniem drożdży jako organizmów modelowych, przeprowadza się wiele badań dotyczących m.in.: cyklu komórkowego, regulacji ekspresji genów, sygnalizacji wewnątrzkomórkowej, starzenia, mechanizmów naprawy DNA czy odpowiedzi komórek na warunki stresowe. Ja także wykorzystywałam drożdże do przeprowadzania eksperymentów, potrzebnych do badań związanych z tematem mojej pracy magisterskiej, która dotyczy zagadnienia regulacji cyklu komórkowego w warunkach stresowych.
- Drosophila melanogaster – wywilżna karłowata (muszka owocowa)
Niesamowicie uciążliwa muszka, która pojawia się znikąd w otoczeniu owoców pozostawionych na blacie w kuchni. Okazała się kluczowym organizmem w pierwszych badaniach genetycznych, ze względu na szybką przemianę pokoleń oraz łatwość obserwacji chromosomów. Wykorzystał to Thomas Morgan, by następnie sformułować chromosomową teorię dziedziczności. Drosophila melanogaster charakteryzuje się prostą w utrzymaniu hodowlą i nieskomplikowaną biologią. Badania z wykorzystaniem muszki owocowej pozwoliły na odkrycie podstaw mechanizmów rządzących rytmem dobowym. Część badań naukowych angażujących Drosophilę jako organizm modelowy dotyczy zagadnień biologii rozwoju, ewolucji czy neurobiologii, a także rozwoju chorób neurodegeneracyjnych.
- Caenorhabditis elegans – nicień
Niewielki, wolno żyjący nicień, spotykany na prawie wszystkich kontynentach. Łatwy w hodowli, a jedną z jego głównych zalet jest przezroczystość ciała, co umożliwia sprawne obserwowanie losów poszczególnych komórek za pomocą mikroskopu świetlnego, jak i z wykorzystaniem bardziej złożonych technik badawczych. Stał się doskonałym organizmem modelowym w badaniach dotyczących: procesu embriogenezy, morfogenezy oraz starzenia się. Co ciekawe, nawet 40% genów odpowiedzialnych za powstawanie różnych chorób u ludzi, posiada swoje odpowiedniki u C. elegans. Dotyczy to takich schorzeń, jak: choroba Alzheimera czy Parkinsona oraz stwardnienie zanikowe boczne.
- Danio rerio – Danio pręgowany
Niewielka ryba, która zyskuje coraz większą popularność w badaniach naukowych. Charakteryzuje się łatwą hodowlą, dużą ilością potomstwa i krótkim cyklem życiowym. Danio pręgowane są powszechnie używane do badania wczesnych stadiów rozwoju. Ponadto mają predyspozycje do badań zarodkowych ze względu na ich przezroczyste ciało podczas wczesnych etapów rozwoju, co czyni je praktycznym wyborem dla łatwej obserwacji. Około 80% genów biorących udział w powstawaniu chorób człowieka ma swój odpowiednik u danio pręgowanego. Umożliwia to przeprowadzanie dokładnych analiz genetycznych. Dodatkowo, organizm ten jest wykorzystywany m.in. w badaniach toksykologicznych i farmakologicznych.
- Arabidopsis thaliana – rzodkiewnik pospolity
Niewątpliwą zaletą tej rośliny są niewielkie rozmiary, duża wydajność produkowania nasion czy też szybkie uzyskiwanie nowych pokoleń. Arabidopsis jest bardzo popularnym organizmem modelowym wykorzystywanym w badaniach roślin; szeroko stosowana w dziedzinie nauk roślinnych, genetyki i ewolucji. Umożliwiła dokładniejsze poznanie mechanizmów kiełkowania i wzrostu roślin, co doprowadziło do udoskonalenia upraw komercyjnych.
- Mus musculus– mysz domowa
Mysz domowa z pewnością kojarzy się z zagadnieniem organizmu modelowego. Mały gryzoń, który, jak się okazało, posiada około 90% sekwencji DNA podobnych do człowieka. Co za tym idzie, wiele mutacji, które przyczynia się do powstawania chorób u ludzi, występuje także u myszy. Pozwala to na szczegółowe badanie tych jednostek chorobowych i poszukiwanie skutecznych terapii. Myszy są odpowiednim organizmem do badania bardziej skomplikowanych schorzeń – nowotworów, a także chorób cywilizacyjnych, tj. otyłość, nadciśnienie tętnicze. Co więcej, mysz jest bardzo dobrym modelem do badań genetycznych. Wielu naukowców skupia się również na studiowaniu behawioru myszy, np. pod wpływem warunków stresowych. Warto tutaj też wspomnieć, iż powstały różne organizacje, które umożliwiają późniejszą adopcję zwierząt laboratoryjnych.
Nie da się podważyć istotnej roli organizmów modelowych w badaniach naukowych. Bez nich niemożliwym byłoby odkrycie wielu podstawowych, jak i tych bardziej złożonych procesów biologii komórki czy rozwoju organizmów. Co ważniejsze z perspektywy ludzi – nie poznalibyśmy podstaw patogenezy wielu chorób. To właśnie informacje uzyskane przy badaniach nad organizmami modelowymi, pozwalają na ich kontynuację w hodowlach komórek ludzkich oraz coraz popularniejszych badań z wykorzystaniem metod komputerowych – in silico.