Modelos de vida Understand article

Traducido por Adela Calvente. Los organismos modelos - levaduras, gusanos, moscas y ratones - ayudan a los investigadores a explorar los secretos de la vida.

El gusano C. elegans
sobrevive bien en
condiciones compactadas
.
Imagen cortesía de ZEISS
Microscopy (microscopía);
origen de la imagen: Wikimedia
Commons

Cuando pensamos en un modelo, normalmente pensamos en algo más pequeño y más simple que el original, como un modelo a escala de un ferrocarril o la versión de bolsillo de un coche clásico. Pero los modelos no son siempre juguetes: los mapas son modelos que codifican los detalles de un paisaje y arquitectos e ingenieros construyen modelos para probar sus ideas antes de ponerlas en práctica a gran escala.

Durante décadas, los biólogos moleculares han usado modelos de forma similar – estudiando organismos más simples en vez de especies más complejas, incluyendo los humanos. A menudo, tales «organismos modelo» parecen ser bastante distintos de las especies de las que pretenden ser modelos. Por ejemplo, Caenorhabditis elegans (habitualmente conocido como C. elegans) es un gusano que mide sólo un milímetro de longitud y su estilo de vida y apariencia no son por supuesto en nada parecidos al de los humanos – aunque a nivel molecular comparte con nosotros muchos procesos fundamentales de la vida. El estudio de C. elegans ha llevado a muchos hallazgos importantes que no sólo se aplican a esa especie, sino a muchas otras. Por ejemplo, los investigadores han usado C. elegans para estudiar los efectos de los péptido beta-amiloide, las moléculas que se acumulan en el cerebro de los pacientes de Alzheimer. Esto ha ayudado a revelar algunos de los mecanismos moleculares que están detrás de esta enfermedad.

Diferente pero similar

¿Cuál es la razón que subyace a esta similitud entre especies? La comparación de los genomas de muchas especies diferentes, ha revelado que los genes para muchas de las funciones biológicas clave se han conservado a través de la evolución y se encuentran ahora en un rango de especies que van desde las bacterias hasta los mamíferos. De manera que aunque los gusanos y los humanos divergieron de un ancestro común hace millones de años, alrededor del 40% de los genes codificantes del genoma de C. elegans tienen un homólogo en los humanos.

La levadura Saccharomyces cerevisiae, un organismo unicelular, quizá está incluso más alejada de los humanos. Sin embargo, este organismo modelo ha sido de vital importancia para la investigación del cáncer. Esto es porque el ciclo celular (el conjunto de procesos a través del cual las células crecen y se dividen) es tan elemental para la vida que ha sido conservado a lo largo de todas las especies eucariotas, incluyendo las levaduras. El ciclo celular es también crucial para la forma de replicación de las células cancerígenas, de forma que estudiando este ciclo en levaduras, ha permitido no sólo aumentar el conocimiento de un proceso básico para la vida, sino que también tiene beneficios clínicos.

Desarrollo del el gusano C. elegans desde embrión hasta larva dentro del huevo.
La eclosión desde la fecundación dura sólo 12 horas.
Imagen cortesía de Fabio Piano / NYU

¿Qué hace a un organismo un buen modelo?

Aunque todos los organismos modelo tienen sus propias ventajas, hay algunas características y beneficios que la mayoría de de ellos comparten. Uno es ser de pequeño tamaño, ya que el espacio del laboratorio es un recurso limitado. C. elegans puntúa alto aquí, ya que 10. 000 individuos pueden ser mantenidos en una única placa de 10 cm de diámetro. Pero quizá, la característica más importante que comparten todos los organismos modelo usados en biología molecular, desde la bacteria Escherichia coli hasta el ratón de laboratorio Mus musculus, es tener un tiempo de generación muy corto comparado con los humanos. C. elegans, por ejemplo, crece desde embrión a adulto en sólo tres días y tiene una esperanza de vida de tan sólo dos o tres semanas. Esto significa que los experimentos que involucran varias generaciones pueden llevarse a cabo en semanas en vez de en años.

Usar como modelo un organismo más simple es a menudo una ventaja en sí mismo, ya que generalmente hace los experimentos más sencillos. Por ejemplo, la mosca de la fruta Drosophila melanogaster tiene sólo cuatro pares de cromosomas, mientras que los humanos tenemos 23, de esta forma Drosophila ha llegado a ser el organismo modelo favorito para estudiar cómo los genes son trasmitidos a través de las generaciones. Esta especie es también uno de los modelos favoritos para la investigación que une la genética con el comportamiento, porque comparte con humanos y otros mamíferos, algunos de los genes del comportamiento más importantes. Por ejemplo, los investigadores usan  Drosophila para estudiar el ritmo circadiano, el complejo mecanismo biológico que nos dice (y a las moscas) cuando nos tenemos que despertar o dormir. Hay menos factores que influyen en el comportamiento dormir/despertar de las moscas que en los humanos, lo que proporciona un modelo simplificado.

La similitud genética puede ser otra ventaja importante. El genoma del ratón Mus musculus es parecido en tamaño al genoma humano y casi cada gen humano tiene un homólogo en ratón – ésta es una de las razones por la que esta especie es tan ampliamente usada como modelo, particularmente para enfermedades humanas. Pero a veces, la diferencia puede ser también una ventaja: lo científicos usaron C. elegans par investigar una enfermedad de riñón humana con una causa genética conocida – aún cuando esta especie no tiene riñones. Esto significaba que el organismo podría mantenerse sano teniendo el gen defectuoso que causa la enfermedad, insertado en su genoma, permitiendo que la vía bioquímica que inflige el daño en los seres humanos se desarrolle.

Finalmente, la elección de un organismo modelo frente a otro se basa en la pregunta  particular que los científicos deseen investigar. El cuerpo completamente transparente de C. elegans, por ejemplo, es otra ventaja para estudios de biología del desarrollo: podemos observar como cada célula individual se desarrolla en pocos días desde un óvulo fertilizado, usando un microscopio sencillo.

Drosophila melanogaster (mosca común de la fruta)
Imagen cortesía de André Karwath; origen de la imagen: Wikimedia Commons

Tecnología genética y el futuro

Hoy, las continuas mejoras en técnicas de edición de genes, combinadas con la información de genomas que han sido completamente secuenciados, están haciendo cada vez más fácil modificar la información genética en organismos vivos. Genes humanos pueden ahora ser insertados en otros organismos que son genéticamente o anatómicamente bastante distintos, así se reduce la necesidad de trabajar con especies cuyos genomas son en esencia muy similares al nuestro. Además, la bioinformática (la aplicación de técnicas de procesamiento de datos a la biología) ahora puede decirnos exactamente qué genes están compartidos entre los humanos y los organismos modelo.

En conjunto, estas tecnologías proporcionan un campo de acción ilimitado para explorar los vínculos causales entre genes y enfermedades humanas en organismos modelo simples. Junto a este potencial beneficio médico, los investigadores están también explorando nuevas fronteras de conocimiento en las ciencias de la vida y en sistemas biológicos comunes que conectan a todos los seres vivos.

Una de las técnicas usadas en bioinformática es el alineamiento de secuencias, la cual nos permite identificar secuencias biológicas comunes compartidas por diferentes especies. Este ejemplo compara la secuencia de amino ácidos de una proteína (citocromo C) en Arabidopsis, Drosophila, humano (Homo) y ratón (Mus).
Imagen cortesía de EMBL-EBI

 

Organismos modelo alrededor nuestro

No es necesario trabajar en un laboratorio para encontrarse con organismos modelo: algunos de los más importantes son parte de nuestra vida diaria.

  • Escherechia coli (E. coli) es una bacteria que se encuentra en la comida y en el intestino de humanos y animales. La mayoría de las cepas son inofensivas pero algunas pueden causar intoxicación alimentaria.
  • Saccharomyces cerevisiae es una levadura usada comúnmente para hacer pan o elaborar cerveza.
  • Arabidopsis thaliana (thale cress), el principal organismo modelo en biología de plantas, es una pequeña planta con flores que crece en los bordes de las carreteras y en las grietas del pavimento.
  • Drosophila melanogaster es la mosca común de la fruta que a veces encontramos en nuestras cocinas.
  • Danio rerio (pez cebra), un pez tropical de agua dulce, es una opción muy popular y colorida para los acuarios.
  • Mus musculus es el ratón domestico, el cual es a veces también mantenido como mascota.

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Author(s)

Francesca Torti se tituló como química farmacéutica en Italia antes de trabajar en investigación básica y clínica en Italia, Estados Unidos y Alemania. Actualmente vive en Berlín, Alemania y es una apasionada de la comunicación de la ciencia al público general.


Review

Este artículo es un buen punto de partida para cualquier profesor de biología que quiera discutir temas relacionados con el uso de organismos vivos en ciencia. Describe una serie de especies y técnicas que ayudan a los científicos a estudiar procesos biológicos, los cuales pueden arrojar luz sobre enfermedades humanas como el cáncer. Este artículo también destaca el hecho de que todo tipo de vida en la Tierra está relacionado y que los procesos fundamentales que ocurren en un organismo simple, como un gusano, son similares a los de los seres humanos, algo que puede sorprender a sus estudiantes.

Además del camino obvio para usar este artículo como una fuente de información, hay un acercamiento más sutil: una invitación a indagar. Empezando con la información proporcionada, usted podría guiar a sus estudiantes por un proceso de especulación e investigación sobre las principales corrientes de la evolución, particularmente el origen de la vida. Por ejemplo:

  • Las corrientes desde simple a complejo y de pequeño a grande.
  • La necesidad de codificar y guardar información (RNA y DNA)
  • La aparición de organización propia y (cortos) ciclos de replicación y reproducción.

Luis M Aires, escuela secundaria Antonio Gedeao, Portugal




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