Modeli Života Understand article

Tanasije Rakić (Biološki fakultet, Univerzitet u Beogradu). Model organizmi – kvasci, crvi, muve i miševi – pomažu naučnicima da zadru u tajne života.

C. elegans preživljava dobro
u skučenim uslovima.

Slika pripada ZEISS
mikroskopiji; izvor slike:
Wikimedia Commons

Kada pomislimo na modele, uglavnom mislimo na nešto manje i jednostavnije od originala – kao model železnice ili verzija uobičajenog automobila koji može da stane u džep. Ali modeli nisu uvek igračke: mape su modeli koji sadrže detalje područja, a arhitekte i inžinjeri prave modele da testiraju svoje ideje pre nego što ih primene u praksi u punoj veličini.

Decenijama, molekularni biolozi su koristili modele na sličan način – proučavajući jednostavnije organizme umesto složenijih vrsta, uključujući i čoveka. Takvi “model organizmi” često ne liče na vrstu čiji model predstavljaju. Na primer Caenorhabditis elegans (uglavnom poznata kao C. elegans) je crv koji je dug samo milimetar, i njegov način života i izgled nisu nimalo nalik onim kod ljudi – ipak na molekularnom nivou sa nama dele mnoge najvažnije životne procese. Proučavanje C. elegans nas je dovelo do mnogih važnih otkrića koji ne samo da se tiču nas kao vrste, već i mnogih drugih. Na primer, naučnici su koristili C. elegans da bi proučavali efekte beta-amiloidnih peptida, molekula koji se nagomilavaju u mozgu pacijenata sa Alchajmerovom bolešću. Ovo je pomoglo da se otkriju neki molekularni mehanizmi koji predstavljaju temelj ove bolesti.

Različiti, ali slični

Koji su glavni razlozi za takve sličnosti među vrstama? Upoređivanjem genoma mnogih različitih vrsta se otrkilo da su geni za mnoge ključne biološke procese očuvani kroz evoluciju i sada se mogu pronaći u čitavom spektru vrsta, počevši od bakterija pa do sisara. Tako da, iako su se crvi i ljudi razdvojili od svog zajedničkog pretka pre nekoliko miliona godina, nekih 40% kodirajućih gena u genomu C. elegans ima svoje ljudske ekvivalente.

Kvasac Saccharomyces cerevisiae, jednoćelijski organizam, je možda čak udaljeniji od čoveka – ali ovaj model organizam je od izuzetnog značaja za istraživanja vezana za rak. To je zato što je ćelijski ciklus – skup procesa kroz koje ćelije rastu i dele se – toliko životno bitan, da je očuvan kroz sve eukariotske vrste, uključujući i kvasce. Ćelijski ciklus je takođe ključan za to kako se ćelije raka umnožavaju, tako da proučavanje ovog ciklusa kod kvasaca je dovelo ne samo do povećanja našeg razumevanja osnovnih životnih procesa, već takođe i koristima u kliničkoj primeni.

Razvoj crva C. elegans od embriona do larve unutar jajeta. Vreme oplođenja do izleganja traje samo oko 12 sati.
Slika pripada Fabiu Pianu / NYU

Šta čini dobar model organizam?

Iako svaki model organizam ima svoje prednosti, postoje neke karakteristike i prednosti koje većina model organizama dele. Jedna od ovih su male dimenzije, jer je laboratorijski prostor ograničen resurs. C. elegans je na dobrom položaju što se tiče ovoga jer otprilike 10000 individua može da se čuva u jednom sudu sa poluprečnikom od 10 cm. Ali možda najvažnija karakteristika koju dele model organizmi korišćeni u molekularnoj biologiji, od bakterije Escherichia coli do laboratorijskog miša Mus musculus, je vrlo kratko generacijsko doba u poređenju sa čovekom. C. elegans, na primer, se razvija od embriona do adulta za svega tri dana i ima životni vek od samo dve do tri nedelje. Ovo znači da se eksperimenti koji obuhvataju više generacija mogu izvesti za nekoliko nedelja, umesto godina.

Korišćenje jednostavnijeg organizma kao modela je često prednost samo po sebi, jer to generalno čini eksperiment jednostavnijim. Na primer, vinska mušica Drosophila melanogaster ima samo četiri para hromozoma dok ljudi imaju 23 para, tako je Drosophila postala omiljen model organizam za proučavanje kako se geni prenose kroz generacije. Takođe je omiljena za povezivanje genetike sa ponašanjem, jer sa ljudima i drugim sisarima deli neke važne bihejviornalne gene. Na primer, naučnici koriste Drosophila da istraže cirkadijalni ritam – kompleksan biološki mehanizam koji nama (i mušicama) govori kada da se probudimo ili spavamo. Postoji manje faktora koji utiču na ponašanje spavanja i buđenja kod Drosophila nego kod ljudi, tako da ona pruža koristan pojednostavljen model.

Genetička sličnost može biti još jedna važna prednost. Genom miša Mus musculus je sličan po veličini ljudskom genomu, i skoro svaki ljudski gen ima mišji ekvivalent – što je jedan od razloga zašto se ova vrsta toliko često upotrebljava kao model, pogotovo za ljudske bolesti. Međutim, ponekad različitost može da bude prednost: naučnici su koristili C. elegans da izučavaju oboljenje bubrega kod ljudi sa poznatim genetskim uzrokom – iako ova vrsta nema bubrege. Ovo znači da bi organizam mogao da ostane zdrav ako se neispravni gen koji izaziva bolest ubaci u njegov genom, omogućavajući da proradi biohemijski put koji ne dozvoljava da dođe do ispoljavanja bolesti kod ljudi.

Sve u svemu, izbor jednog model organizma u odnosu na drugi zavisi od specifičnog pitanja koje naučnici žele da istraže. Potpuno providno telo C. elegans, na primer, je još jedna prednost u istraživanjima biologije razvića: možemo videti kako se svaka ćelija razvija tokom nekoliko dana iz oplođenog jaja, koristeći jednostavan mikroskop.

Drosophila melanogaster (vinska mušica)
Slika pripada André Karwath; izvor slike: Wikimedia Commons

Genska tehnologija i budućnost

Danas, stalna napredovanja u tehnikama izmenjivanja gena, u kombinaciji sa informacijama iz potpuno sekvenciranih genoma, sve više olakšavaju precizno modifikovanje genetskih informacija u okviru živih organizama. Ljudski geni se sada mogu ubacivati u druge organizme koji su genetički ili anatomski dosta različiti, što smanjuje potrebu za radom sa vrstama čiji je genom po prirodi veoma sličan našem. Takođe, bioinformatika – primena tehnika za obradu podataka u biologiji – sada može da nam kaže tačno koje gene dele ljudi i model organizmi.

Zajedno, ove tehnologije pružaju neograničen prostor za istraživanje uzročnih veza između gena i ljudskih bolesti u jednostavnim model organizmima. Uz ove potencijalne medicinske pogodnosti, naučnici takođe istražuju nove oblasti znanja nauke o životu, i zajedničke biološke sisteme koji povezuju sva živa bića.

Jedna od tehnika korišćena u bioinformatici je poravnavanje sekvenci, što nam omogućava da pronađemo uobičajane biološke sekvence koje su zajedničke među različitim vrstama. Ovaj primer poredi sekvence amino-kiselina jednog proteina (citohrom c) kod Arabidopsis, Drosophila, čoveka (Homo) i miša (Mus).
Slika pripada EMBL-EBI

 

Model organizmi oko nas

Nije potrebno raditi u laboratoriji da bi se susreli sa model organizmima: neke od najvažnijih su deo nšeg svakodnevnog života.

  • Escherichia coli (E. coli) je bakterija koja se može pronaći u hrani i crevima čoveka i životinja. Većina sojeva je bezopasna, ali neke mogu da izazovu trovanje hranom.
  • Saccharomyces cerevisiae je kvasac koji se svakodnevno koristi za pripremu hleba i piva.
  • Arabidopsis thaliana (Talova grbaštica), je glavni model organizam za biologiju biljaka, to je mala cvetnica koja raste pored puta i u pukotinama u betonu.
  • Drosophila melanogaster je uobičajena vinska mušica koju ponekad možemo naći u kuhinji.
  • Danio rerio (zebrica), tropska slatkovodna riba, je popularan i lepo obojen izbor za akvarijume.
  • Mus musculus je kućni miš, koji se nekad čuva kao ljubimac.

Download

Download this article as a PDF

Resources

Author(s)

Frančeska Torti se školovala kao farmaceutski hemičar u Italiji, pre nego što je počela rad na kliničkim i osnovnim istraživanjima u Italiji, SAD i Nemačkoj. Trenutno živi u Berlinu, Nemačka, i ima strast za prenošenje nauke široj publici.


Review

Ovaj članak je dobra početna tačka za svakog profesora biologije koji želi da diskutuje o problemima koji se tiču upotrebe živih organizama u nauci. Opisuje raspon organizama i tehnika koje pomažu naučnicima da izučavaju biološke procese, koji daju informacije o ljudskim bolestima kao što je rak. Članak takođe naglašava činjenicu da je sveokupan život na zemlji povezan, i da osnovni procesi koji se javljaju u jednostavnom organizmu, kao kod crva, dele sličnosti sa onima kod ljudi – nešto što može da zadivi vaše učenike.

Uz očigledan način upotrebe članka, kao izvor informacija, postoji diskretniji pristup: poziv na istraživanje. Počevši sa datim informacijama, možete da sprovedete učenike kroz proces zaključivanja i istraživanja o važnim pojavama evolucije, naročito u vezi sa postankom života. Na primer:

  • Pojave od jednostavnog do složenog i od malog ka velikom
  • Potreba da se prevede i čuva informacija (RNK i DNK)
  • Pojava samoorganizovanja i (kratkih) ciklusa replikacije i reprodukcije.

Luis M Aires, Antonio Gedeao srednja škola, Portugal




License

CC-BY