Modele życia

Gdy wyobrażamy sobie model, zazwyczaj myślimy o czymś mniejszym i prostszym niż oryginał – na przykład model kolejki elektrycznej czy miniaturowa wersja znanego auta. Ale modele to nie zawsze zabawki: mapa jest odwzorowaniem, w którym zakodowane są szczegóły krajobrazu, a architekci i inżynierowie budują modele, aby wypróbować swoje pomysły przed stworzeniem pełnowymiarowych projektów.

Od wielu lat biologowie molekularni używają modeli w podobny sposób – badają prostsze organizmy zastępując bardziej złożone gatunki, w tym ludzki organizm. Wydaje się, że takie „organizmy modelowe” często są w ogóle nie podobne do gatunku, który mają odwzorowywać. Na przykład Caenorhabditis elegans (często znany jako C. elegans) jest nicieniem o długości zaledwie jednego milimetra i swoim wyglądem w żaden sposób nie przypomina człowieka – a jednak w skali molekularnej dzieli z nim wiele podstawowych procesów życiowych. Badanie C. elegans doprowadziło do wielu ważnych odkryć, które można zastosować do wielu gatunków. Na przykład, C. elegans został użyty do zbadania efektów peptydów beta amyloidu - molekuł, które tworzą się w mózgu pacjenta z chorobą Alzheimera. Pomogło to w odkryciu niektórych mechanizmów molekularnych, które zapoczątkowują tę chorobę.

Inne, ale podobne

Jaka jest podstawowa przyczyna takiego podobieństwa między gatunkami? Porównanie genomów wielu różnych gatunków ujawniło, że geny odpowiadające za najważniejsze funkcje biologiczne zachowały się w procesie ewolucji i obecnie można je znaleźć w różnych gatunkach, od bakterii do ssaków. Dlatego, mimo, że robaki i ludzie rozminęły się z wspólnym przodkiem już miliony lat temu, około 40% genów w genomie C. elegans ma swoje odpowiedniki w genomie człowieka.

Saccharomyces cerevisiae, gatunek jednokomórkowych grzybów, jest chyba jeszcze bardziej odległy od człowieka - ale ten organizm modelowy miał niezmiernie duże znaczenie dla badań nad chorobami nowotworowymi. Jest tak dlatego, że cykl komórkowy - ciąg procesów, w trakcie których komórka rośnie i dzieli się - jest tak niezbędny do życia, że został zachowany we wszystkich organizmach jądrowych, również w drożdżach. Cykl komórkowy jest również ważny w procesie replikacji komórek rakowych, więc badanie cyklu u drożdży spowodowało nie tylko większe zrozumienie podstawowego procesu życiowego, ale miało również korzyści kliniczne.

Jaki powinien być organizm modelowy?

Mimo, że każdy organizm modelowy ma swoje zalety, istnieją pewne cechy i korzyści, które są wspólne dla wszystkich takich organizmów. Jednym z nich jest mały rozmiar, gdyż przestrzeń laboratoryjna jest limitowana. C. elegans ma tą zaletę - 10 000 pojedynczych organizmów może być przechowywanych w jednym naczyniu o średnicy 10 cm. Jednakże prawdopodobnie najważniejszą cechą dzieloną przez wszystkie organizmy modelowe używane w biologii molekularnej, począwszy od bakterii Escherichia coli do myszy laboratoryjnej Mus musculus, jest bardzo krótki czas podwajania gatunku, w porównaniu do człowieka. Na przykład  C. elegans dorasta od zalążka do dorosłego osobnika w ciągu zaledwie 3 dni i ma żywotność od 2 do 3 tygodni. Oznacza to, że eksperymenty obejmujące kilka pokoleń mogą być przeprowadzone w ciągu kilku tygodni, zamiast kilku lat.

Użycie prostszego organizmu jako modelu jest często samo w sobie zaletą, gdyż sprawia, że eksperymenty są prostsze do przeprowadzenia. Na przykład, muchówka Drosophila melanogaster ma tylko 4 pary chromosomów, natomiast człowiek ma 23 pary. Dlatego Drosophila już wcześnie stała się ulubionym organizmem modelowym do badania tego jak geny są przekazywane z pokolenia na pokolenie. Jest również ulubieńcem badań związku między genetyką a zachowaniem, ponieważ posiada niektóre ważne geny człowieka i innych ssaków, odpowiadające za zachowanie. Na przykład, naukowcy używają muchówki Drosophila do śledzenia rytmu dobowego - złożonego mechanizmu, który mówi nam (i muchówkom) kiedy wstać lub spać. W organizmie muchówki jest mniej czynników, które wpływają na sen/budzenie się, więc jest ona użytecznym uproszczonym modelem.

Kolejną korzyścią może być genetyczne podobieństwo. Genom myszy Mus musculus jest podobny rozmiarem do genomu ludzkiego i prawie każdy gen człowieka ma odpowiednika u myszy - co jest jedną z przyczyn częstego używania tego gatunku jako organizmu modelowego, szczególnie w badaniach nad chorobami ludzkimi. Z drugiej strony, odmienność również może być atutem: naukowcy użyli C. elegans do badań nad chorobą nerek u człowieka wywoływaną genetycznie - mimo że ten gatunek nie posiada nerek. Oznaczało to, że organizm mógł być zdrowy z wadliwym genem powodującym chorobę wstawionym do genomu, co pozwalało rozpoznać jego biochemiczną ścieżkę, która wyrządza szkodę w przypadku ludzi.

Ostatecznie, wybór takiego, a nie innego organizmu modelowego jest oparty na tym, jaką kwestię naukowcy chcą zbadać. Na przykład całkowicie przezroczyste ciało C. elegans jest kolejną zaletą w rozwojowych badaniach biologicznych: możemy obserwować jak pojedyncza komórka rozwija się w ciągu kilku dni od zapłodnionej komórki jajowej, używając tylko mikroskopu.

Inżynieria genetyczna a przyszłość

Obecnie, nieustanne doskonalenie techniki modyfikowania genów, w połączeniu z informacjami z zsekwencjonowanych genomów, sprawia, że coraz łatwiej możemy z dużą precyzją modyfikować informacje genetyczne wewnątrz żywych organizmów. Geny człowieka mogą być teraz wstawiane do innych organizmów, które różnią się genetycznie lub anatomicznie, a więc zmniejszyła się potrzeba pracy tylko z organizmami, które są z natury podobne do nas. Co więcej, bioinformatyka - zastosowanie w biologii technik przetwarzania danych - może nam teraz dokładnie powiedzieć, które geny są wspólne dla ludzi i organizmów modelowych.

Razem, technologie te zapewniają niezliczone możliwości odkrywania swobodnych związków między genami a chorobami ludzkimi w prostych organizmach modelowych. Oprócz tych potencjalnych korzyści medycznych, badacze przyglądają się również nowym granicom wiedzy o życiu i powszechnych biologicznych systemach, które łączą wszystkie istoty żywe.