Modelli di vita Understand article

Tradotto da Cristina Benedetti. Gli organismi modello – lieviti, vermi, moscerini e topi – aiutano i ricercatori a esplorare i segreti della vita.

Il verme C. elegans
sopravvive bene in
condizioni molto ristrette.

Immagine gentilmente
}concessa da ZEISS Microscopy;
fonte dell’immagine: Wikimedia
Commons

Quando pensiamo a un modello di solito immaginiamo qualcosa di più piccolo e più semplice rispetto all’originale, come un modello in scala di una ferrovia o una versione tascabile di un’auto d’epoca. Ma i modelli non sono sempre giocattoli: le mappe sono modelli che codificano i dettagli di un paesaggio e architetti e ingegneri costruiscono modelli per testare le loro idee prima di metterle in pratica a grandezza naturale.

Per decenni, i biologi molecolari hanno usato modelli in modo simile, studiando organismi più semplici al posto delle specie più complesse, compreso l’uomo. Tali ‘organismi modello’ spesso sembrano essere piuttosto diversi dalle specie per cui sono usati come modello. Per esempio, Caenorhabditis elegans (comunemente noto come C. elegans) è un verme lungo solo un millimetro e il suo stile di vita e aspetto ovviamente non sono per niente simili a quelli dell’uomo, eppure su scala molecolare condivide con noi molti processi di vita fondamentali. Lo studio di C. elegans ha portato a molte scoperte importanti, utili non solo per questa specie ma anche per molte altre. Per esempio, i ricercatori hanno usato C. elegans per studiare gli effetti dei peptidi beta-amiloidi, le molecole che si accumulano nel cervello dei malati di Alzheimer. Ciò ha contribuito a rivelare alcuni dei meccanismi molecolari alla base di questa malattia.

Diverso, ma simile

Qual è la ragione alla base di tale similarità tra le specie? Il confronto fra genomi di molte specie diverse ha rivelato che i geni per molte funzioni biologiche fondamentali si sono conservati nel corso dell’evoluzione e si trovano ora in specie che vanno dai batteri ai mammiferi. Anche se vermi ed esseri umani si sono differenziati da un antenato comune milioni di anni fa, circa il 40% dei geni codificanti nel genoma di C. elegans ha controparti umane.

Il lievito Saccharomyces cerevisiae, un organismo unicellulare, è forse ancora più distante dell’uomo, eppure questo organismo modello è stato di vitale importanza per la ricerca sul cancro. Questo perché il ciclo cellulare – la serie di processi attraverso i quali le cellule crescono e si dividono – è così fondamentale per la vita che si è conservato in tutte le specie eucariotiche, compreso il lievito. Il ciclo cellulare è anche fondamentale per la replicazione delle cellule tumorali e studiare questo ciclo nel lievito ha quindi portato non solo ad aumentare la nostra comprensione di un basilare processo di vita, ma anche a benefici clinici.

Sviluppo del verme C. elegans da embrione a larva all’interno dell’uovo. Dalla fecondazione alla schiusa passano solo circa 12 ore.
Immagine gentilmente concessa da Fabio Piano / NYU

Che requisiti deve avere un buon organismo modello?

Anche se ogni organismo modello ha i suoi vantaggi, ci sono alcune caratteristiche e prerogative condivise dalla maggior parte degli organismi modello. Una di queste è avere piccole dimensioni, poiché lo spazio di laboratorio è una risorsa limitata. C. elegans acquista molti punti qui, poiché si possono mantenere circa 10.000 individui in una singola piastra di 10 cm di diametro. Ma forse la caratteristica più importante condivisa da tutti gli organismi modello utilizzati in biologia molecolare, dal batterio Escherichia coli al topo di laboratorio Mus musculus, è il tempo di generazione molto breve rispetto all’uomo. C. elegans, per esempio, cresce da embrione ad adulto in soli tre giorni e ha una vita di sole due o tre settimane. Ciò significa che esperimenti che coinvolgono diverse generazioni possono essere svolti in settimane invece di anni.

Utilizzare un organismo semplice come modello è spesso un vantaggio in sé, poiché generalmente rende gli esperimenti più facili. Per esempio, il moscerino della frutta Drosophila melanogaster ha solo quattro coppie di cromosomi mentre gli esseri umani ne hanno 23. La Drosophila è quindi presto diventata l’organismo modello preferito per studiare come i geni sono trasmessi attraverso le generazioni. È anche preferita per la ricerca che unisce la genetica al comportamento, in quanto condivide con l’uomo e altri mammiferi alcuni geni comportamentali importanti. Per esempio, i ricercatori utilizzano Drosophila per indagare il ritmo circadiano – il complesso meccanismo biologico che dice a noi (e ai moscerini) quando svegliarsi o dormire. Avendo meno fattori che influenzano il comportamento di sonno/veglia rispetto all’uomo, Drosophila fornisce quindi un utile modello semplificato.

La similarità genetica può essere un altro importante vantaggio. Il genoma del topo Mus musculus è di dimensioni simili al genoma umano e quasi ogni gene umano ha una controparte nel topo, uno dei motivi per cui questa specie è così ampiamente usata come modello, in particolare per le malattie umane. Ma a volte la differenza può anche essere un vantaggio: i ricercatori hanno usato C. elegans per indagare una malattia renale umana con una causa genetica nota, anche se questa specie non ha i reni. In questo modo l’organismo è potuto rimanere in buona salute con il gene difettoso che causa la malattia inserito nel suo genoma, permettendo di analizzare la via biochimica che infligge il danno nell’uomo.

In definitiva, la scelta di un organismo modello piuttosto che un altro si basa sulla particolare questione che i ricercatori vogliono esaminare. Il corpo completamente trasparente di C. elegans, per esempio, è un altro vantaggio nella ricerca di biologia dello sviluppo: possiamo osservare come ogni singola cellula si sviluppa in pochi giorni dall’uovo fecondato, utilizzando un semplice microscopio.

Drosophila melanogaster (comune moscerino della frutta)
Immagine gentilmente concessa da André Karwath; fonte dell’immagine: Wikimedia Commons

Ingegneria genetica e futuro

Oggi, i continui miglioramenti nelle tecniche di editing dei geni, in combinazione con le informazioni dai genomi completamente sequenziati, stanno rendendo sempre più facile modificare in modo molto preciso le informazioni genetiche all’interno di organismi viventi. I geni umani possono ora essere inseriti in altri organismi geneticamente o anatomicamente molto diversi, riducendo così la necessità di lavorare con specie i cui genomi sono di natura molto simile al nostro. Inoltre, la bioinformatica – l’applicazione di tecniche di elaborazione dei dati alla biologia – può ora dirci esattamente quali geni sono condivisi tra gli esseri umani e gli organismi modello.

Insieme, queste tecnologie offrono un’opportunità illimitata di esplorare i nessi causali tra i geni e le malattie umane in semplici organismi modello. Accanto a questi potenziali benefici medici, i ricercatori stanno esplorando anche nuove frontiere della conoscenza nella scienza della vita e i sistemi biologici comuni che connettono tutti gli esseri viventi.

Una delle tecniche utilizzate nella bioinformatica è l’allineamento di sequenze, che ci permette di identificare sequenze biologiche comuni condivise da specie diverse. Questo esempio confronta la sequenza aminoacidica di una proteina (citocromo c) in Arabidopsis, Drosophila, uomo (Homo) e topo (Mus).
Immagine gentilmente concessa da EMBL-EBI

 

Organismi modello intorno a noi

Non è necessario lavorare in un laboratorio per incontrare organismi modello: alcuni dei più importanti fanno parte della nostra vita di tutti i giorni.

  • Escherichia coli (E. coli) è un batterio che si trova nel cibo e nell’intestino dell’uomo e degli animali. La maggior parte dei ceppi sono innocui, ma alcuni possono causare intossicazione alimentare.
  • Saccharomyces cerevisiae è il lievito comunemente usato per cuocere il pane o per la produzione di birra.
  • Arabidopsis thaliana (arabide comune), l’organismo modello principale per la biologia vegetale, è una piccola pianta da fiore che cresce ai bordi della strada e in crepe dell’asfalto.
  • Drosophila melanogaster è il comune moscerino della frutta che a volte troviamo nelle nostre cucine.
  • Danio rerio (pesce zebra), un pesce tropicale d’acqua dolce, è una scelta popolare e colorata per gli acquari.
  • Mus musculus è il topo delle case, a volte tenuto anche come animale domestico.

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Author(s)

Francesca Torti si è formata come chimico farmaceutico in Italia, prima di lavorare nel campo della ricerca clinica e di base in Italia, negli Stati Uniti e in Germania. Attualmente vive a Berlino, in Germania, ed è appassionata di comunicazione scientifica al grande pubblico.


Review

Questo articolo è un buon punto di partenza per qualsiasi insegnante di biologia che voglia discutere le questioni relative all’uso di organismi viventi nella scienza. L’articolo descrive una serie di specie e tecniche che aiutano gli scienziati a studiare i processi biologici e possono far comprendere malattie umane come il cancro. L’articolo mette in evidenza anche il fatto che tutta la vita sulla Terra è connessa e che i processi fondamentali che avvengono in un organismo semplice, come un verme, sono simili a quelli umani – cosa che potrebbe stupire i vostri studenti.

Oltre al modo più ovvio di usare l’articolo, come fonte di informazioni, c’è un approccio più sottile: un invito a indagare. A partire dalle informazioni fornite, potreste guidare gli studenti attraverso un processo di ipotesi e ricerca sui principali andamenti dell’evoluzione, in particolare sull’origine della vita. Per esempio:

  • L’andamento da semplice a complesso e da piccolo a grande
  • La necessità di codificare e conservare le informazioni (RNA e DNA)
  • La comparsa dell’auto-organizzazione e di (brevi) cicli di replicazione e riproduzione.

Luis M Aires, Scuola Secondaria Antonio Gedeao, Portogallo




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