Μοντέλα ζωής Understand article

Μετάφραση από: Ελένη Ζερβοπούλου (Eleni Zervopoulou) – Φοιτήτρια Βιολογίας, ΕΚΠΑ και Παναγιώτης Κ. Στασινάκης (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια…

Ο σκώληκας C. elegans
επιβιώνει καλά σε στενά
συνυφασμένες συνθήκες.

Χορηγία εικόνας από την
ZEISS Microscopy. Πηγή
εικόνας: Wikimedia Commons

Όταν σκεφτόμαστε ένα μοντέλο, σκεφτόμαστε συνήθως κάτι μικρότερο και απλούστερο από το πρωτότυπο – όπως ένα σιδηροδρομικό μοντέλο ή μια έκδοση τσέπης ενός κλασικού αυτοκινήτου. Αλλά τα μοντέλα δεν είναι πάντα  παιχνίδια: οι χάρτες είναι μοντέλα που κωδικοποιούν τις λεπτομέρειες ενός τοπίου και αρχιτέκτονες και μηχανικοί κατασκευάζουν μοντέλα για να δοκιμάσουν τις ιδέες τους πριν τις κάνουν πράξη.

Για δεκαετίες, οι μοριακοί βιολόγοι έχουν χρησιμοποιήσει μοντέλα με παρόμοιο τρόπο – μελετώντας απλούστερους οργανισμούς αντί για πιο σύνθετα είδη, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Αυτοί οι «οργανισμοί-μοντέλα» συχνά φαίνονται να είναι αρκετά διαφορετικοί από τα είδη που χρησιμοποιούνται για να μοντελοποιήσουν. Για παράδειγμα, το Caenorhabditis elegans (συνήθως γνωστό ως C. elegans) είναι ένα σκουλήκι μήκους μόνο ενός χιλιοστού και ο τρόπος ζωής και η εμφάνισή του φυσικά δεν είναι παρόμοια με αυτή των ανθρώπων – αλλά σε μοριακή κλίμακα μοιράζεται μαζί μας πολλές θεμελιώδεις διαδικασίες της ζωής. Η μελέτη του C. elegans οδήγησε σε πολλά σημαντικά ευρήματα που ισχύουν όχι μόνο για τα είδη αυτά, αλλά και για πολλά άλλα. Για παράδειγμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το C. elegans για να μελετήσουν τις επιδράσεις των β-αμυλοειδών πεπτιδίων, τα μόρια που συσσωρεύονται στους εγκεφάλους των ασθενών με Alzheimer. Αυτό βοήθησε να αποκαλυφθούν μερικοί από τους μοριακούς μηχανισμούς που αποτελούν τη βάση αυτής της ασθένειας.

Διαφορετικές, αλλά παρόμοιες

Ποιος είναι ο βασικός λόγος για μια τέτοια ομοιότητα μεταξύ των ειδών; Συγκρίνοντας τα γονιδιώματα πολλών διαφορετικών ειδών αποκαλύφθηκε ότι τα γονίδια για πολλές βασικές βιολογικές λειτουργίες έχουν διατηρηθεί σε όλη την εξέλιξη και τώρα βρίσκονται σε διάφορα είδη, από βακτήρια έως θηλαστικά. Έτσι, αν και τα σκουλήκια και οι άνθρωποι αποκλίνουν από έναν κοινό πρόγονο πριν από εκατομμύρια χρόνια, περίπου το 40% των γονιδίων που κωδικοποιούν στο γονιδίωμα C. elegans έχουν ομολογία με τα ανθρώπινα.

Ο ζυμομύκητας Saccharomyces cerevisiae, ένας μονοκύτταρος οργανισμός, είναι ίσως ακόμη πιο απομακρυσμένος από τους ανθρώπους – όμως ο οργανισμός αυτός είναι ζωτικής σημασίας για την έρευνα για τον καρκίνο. Αυτό συμβαίνει επειδή ο κυτταρικός κύκλος – το σύνολο των διαδικασιών μέσω των οποίων τα κύτταρα αναπτύσσονται και διαιρούνται – είναι τόσο θεμελιώδης στη ζωή που έχει διατηρηθεί σε όλα τα ευκαρυωτικά είδη, συμπεριλαμβανομένης της ζύμης. Ο κυτταρικός κύκλος είναι επίσης κρίσιμος για την αναπαραγωγή των καρκινικών κυττάρων, οπότε η μελέτη αυτού του κύκλου στη μαγιά έχει οδηγήσει όχι μόνο στην αύξηση της κατανόησης μιας βασικής διεργασίας ζωής αλλά και σε κλινικά οφέλη.

Ανάπτυξη του C. elegans σκουληκιού από έμβρυο σε προνύμφη εντός του κελύφους των αυγών. Η γονιμοποίηση για εκκόλαψη διαρκεί μόνο περίπου 12 ώρες.
Η εικόνα προσφέρθηκε από τον Fabio Piano / NYU

Τι κάνει έναν καλό οργανισμό-μοντέλο;

Αν και κάθε μοντέλο οργανισμού έχει τα δικά του πλεονεκτήματα, υπάρχουν ορισμένα χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα που μοιράζονται οι περισσότεροι οργανισμοί-μοντέλα. Ένα από αυτά είναι το μικρό μέγεθος, καθώς ο εργαστηριακός χώρος είναι περιορισμένος. Ο C. elegans υπερισχύει πολύ εδώ, καθώς περίπου 10.000 άτομα μπορούν να διατηρηθούν σε ένα μόνο πιάτο διαμέτρου 10 cm. Αλλά ίσως το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό που μοιράζονται όλοι οι οργανισμοί-μοντέλα που χρησιμοποιούνται στη μοριακή βιολογία, από το βακτήριο Escherichia coli έως το εργαστηριακό ποντίκι Mus musculus, είναι h πολύ μικρή διάρκεια γενιάς σε σύγκριση με τον άνθρωπο. Ο C. elegans, για παράδειγμα, μεγαλώνει από έμβρυο σε ενήλικα σε μόλις τρεις ημέρες και έχει διάρκεια ζωής μόλις δύο έως τρεις εβδομάδες. Αυτό σημαίνει ότι τα πειράματα που αφορούν πολλές γενιές μπορούν να πραγματοποιηθούν σε εβδομάδες αντί για χρόνια.

Χρησιμοποιώντας έναν απλούστερο οργανισμό ως μοντέλο είναι συχνά πλεονέκτημα από μόνο του, καθώς καθιστά γενικά τα πειράματα απλούστερα. Για παράδειγμα, η μύγα φρούτων Drosophila melanogaster έχει μόνο τέσσερα ζεύγη χρωμοσωμάτων ενώ οι άνθρωποι έχουν 23, οπότε η Drosophila έγινε νωρίς ένας από τους αγαπημένους οργανισμούς-μοντέλα για να μελετηθεί πώς μεταφέρονται τα γονίδια στις γενιές. Είναι επίσης ένα από τα αγαπημένα μοντέλα για έρευνα που συνδέει τη γενετική με τη συμπεριφορά, καθώς η Drosophila μοιράζεται με ανθρώπους και άλλα θηλαστικά κάποια σημαντικά γονίδια συμπεριφοράς. Για παράδειγμα, οι ερευνητές χρησιμοποιούν τη Drosophila για να διερευνήσουν τον κιρκάδιο ρυθμό – τον περίπλοκο βιολογικό μηχανισμό που λέει σε εμάς (και στις μύγες) πότε να ξυπνήσουν ή να κοιμηθούν. Είναι λιγότεροι οι παράγοντες που επηρεάζουν τη συμπεριφορά ύπνου / αφύπνισης στη Drosophila απ’ ότι στον άνθρωπο, οπότε παρέχει ένα χρήσιμο απλοποιημένο μοντέλο.

Η γενετική ομοιότητα μπορεί να είναι ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα. Το γονιδίωμα του ποντικού Mus musculus είναι παρόμοιο σε μέγεθος με το ανθρώπινο γονιδίωμα και σχεδόν κάθε ανθρώπινο γονίδιο έχει ένα αντίστοιχο με του ποντικού, γεγονός που αποτελεί έναν από τους λόγους για τους οποίους το είδος αυτό χρησιμοποιείται τόσο ευρέως ως πρότυπο, ιδιαίτερα για τις ανθρώπινες ασθένειες. Αλλά μερικές φορές, η ανομοιογένεια μπορεί επίσης να είναι ένα πλεονέκτημα: οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον C. elegans για να διερευνήσουν μια ανθρώπινη νεφρική νόσο με γνωστή γενετική αιτία – παρόλο που το είδος αυτό δεν έχει νεφρά. Αυτό σήμαινε ότι ο οργανισμός θα μπορούσε να παραμείνει υγιής με το ελαττωματικό γονίδιο που προκαλεί ασθένεια να έχει εισέλθει στο γονιδίωμά του, επιτρέποντας στη βιοχημική οδό που προκαλεί τη ζημιά στον άνθρωπο να λειτουργήσει.

Τελικά, η επιλογή ενός οργανισμού- μοντέλου έναντι ενός άλλου βασίζεται στο συγκεκριμένο ερώτημα που οι ερευνητές επιθυμούν να ερευνήσουν. Το εντελώς διαφανές σώμα του C. elegans, για παράδειγμα, είναι ένα άλλο πλεονέκτημα στην έρευνα της αναπτυξιακής βιολογίας: μπορούμε να παρατηρήσουμε πώς κάθε κύτταρο αναπτύσσεται σε λίγες μέρες από το γονιμοποιημένο ωάριο, χρησιμοποιώντας ένα απλό μικροσκόπιο.

Drosophila melanogaster (κοινή μύγα φρούτων)
Η εικόνα προσφέρθηκε από τον André Karwath. Πηγή εικόνας: Wikimedia Commons

Η τεχνολογία των γονιδίων και το μέλλον

Σήμερα, οι συνεχείς βελτιώσεις στις τεχνικές επεξεργασίας των γονιδίων, σε συνδυασμό με πληροφορίες από γονιδιώματα με πλήρη αλληλουχία, καθιστούν όλο και πιο εύκολη την ακριβή τροποποίηση της γενετικής πληροφορίας μέσα στους ζωντανούς οργανισμούς. Τα ανθρώπινα γονίδια μπορούν τώρα να εισαχθούν σε άλλους οργανισμούς που είναι γενετικά ή ανατομικά αρκετά διαφορετικοί, μειώνοντας έτσι την ανάγκη να δουλέψουμε με είδη των οποίων τα γονιδιώματα είναι πολύ παρόμοια με το δικό μας. Επιπλέον, η βιοπληροφορική – η εφαρμογή τεχνικών επεξεργασίας δεδομένων στη βιολογία – μπορεί τώρα να μας πει ακριβώς ποια γονίδια μοιράζονται οι άνθρωποι με τους οργανισμούς-μοντέλα.

Μαζί, αυτές οι τεχνολογίες παρέχουν απεριόριστα περιθώρια για διερεύνηση των αιτιωδών συνδέσεων μεταξύ των γονιδίων και της ανθρώπινης ασθένειας σε απλούς οργανισμούς-μοντέλα. Μαζί με αυτά τα δυνητικά ιατρικά οφέλη, οι ερευνητές διερευνούν επίσης νέα σύνορα γνώσης στην επιστήμη της ζωής και τα κοινά βιολογικά συστήματα που συνδέουν όλα τα έμβια όντα.

Μία από τις τεχνικές που χρησιμοποιείται στη βιοπληροφορική είναι η ευθυγράμμιση αλληλουχιών, η οποία μας επιτρέπει να εντοπίζουμε κοινές βιολογικές αλληλουχίες που μοιράζονται διαφορετικά είδη. Αυτό το παράδειγμα συγκρίνει την αλληλουχία αμινοξέων μιας πρωτεΐνης (κυτόχρωμα c) σε Arabidopsis, Drosophila, ανθρώπινο (Homo) και ποντικό (Mus).
Η εικόνα προσφέρθηκε από το EMBL-EBI

 

Μοντέλα οργανισμών γύρω μας

Δεν είναι απαραίτητο να εργαστείτε σε ένα εργαστήριο για να συναντήσετε οργανισμούς-μοντέλα: μερικοί από τους σημαντικότερους είναι μέρος της καθημερινής μας ζωής

  • Το Escherichia coli (Ε. Coli) είναι ένα βακτήριο που βρίσκεται στα τρόφιμα και το έντερο ανθρώπων και ζώων. Τα περισσότερα στελέχη είναι αβλαβή αλλά μερικά μπορεί να προκαλέσουν τροφική δηλητηρίαση.
  •  Το Saccharomyces cerevisiae είναι η ζύμη που χρησιμοποιείται συνήθως για το ψήσιμο ψωμιού ή για τη ζύμωση μπύρας.
  •  Το Arabidopsis thaliana (thale cress), ο κύριος οργανισμός μοντέλο για τη φυτική βιολογία, είναι ένα μικρό ανθοφόρο φυτό που αναπτύσσεται από δρόμους και σε ρωγμές πεζοδρομίων.
  •  Η Drosophila melanogaster είναι η κοινή μύγα φρούτων που μερικές φορές βρίσκουμε στις κουζίνες μας.
  •  Το Danio rerio (zebrafish), ένα τροπικό ψάρι γλυκού νερού, είναι μια δημοφιλής και πολύχρωμη επιλογή για ενυδρεία.
  • Το Mus musculus είναι το ποντίκι του σπιτιού, το οποίο μερικές φορές χρησιμοποιείται ως κατοικίδιο ζώο.

Download

Download this article as a PDF

Resources

Author(s)

Η Francesca Torti εκπαιδεύτηκε ως φαρμακοποιός στην Ιταλία, πριν εργαστεί στην κλινική και βασική έρευνα στην Ιταλία, τις ΗΠΑ και τη Γερμανία. Σήμερα ζει στο Βερολίνο της Γερμανίας και είναι παθιασμένη με την επικοινωνία της επιστήμης με ένα γενικό κοινό.


Review

Αυτό το άρθρο είναι ένα καλό σημείο εκκίνησης για κάθε δάσκαλο βιολογίας που θέλει να συζητήσει θέματα γύρω από τη χρήση των ζωντανών οργανισμών στην επιστήμη. Περιγράφει μια σειρά ειδών και τεχνικών που βοηθούν τους επιστήμονες να μελετούν βιολογικές διεργασίες, οι οποίες μπορούν να δώσουν στοιχεία για ανθρώπινες ασθένειες όπως ο καρκίνος. Το άρθρο επίσης τονίζει το γεγονός ότι όλες οι μορφές ζωής στη Γη συνδέονται και ότι οι θεμελιώδεις διαδικασίες που συμβαίνουν σε έναν απλό οργανισμό, όπως ένα σκουλήκι, είναι παρόμοιες με αυτές στον άνθρωπο – κάτι που μπορεί να καταπλήξει τους μαθητές σας.

Εκτός από τον προφανή τρόπο χρήσης του άρθρου, ως πηγή πληροφοριών, υπάρχει μια πιο λεπτή προσέγγιση: μια πρόσκληση για έρευνα. Αρχίζοντας με τις πληροφορίες που παρέχονται, θα μπορούσατε να καθοδηγήσετε τους μαθητές σας μέσα από μια διαδικασία εικασίας και έρευνας σχετικά με τις κύριες τάσεις της εξέλιξης, ιδιαίτερα την προέλευση της ζωής. Για παράδειγμα:

  • Οι τάσεις από απλό σε περίπλοκο και από μικρό σε μεγάλο
  • Η ανάγκη κωδικοποίησης και αποθήκευσης πληροφοριών (RNA και DNA)
  • Η ανάδειξη αυτο-οργάνωσης και (μικρών) κύκλων αντιγραφής και αναπαραγωγής.

Luis M Aires, Antonio Gedeao Secondary School, Πορτογαλία




License

CC-BY