Top model w biologii molekularnej

Do grona organizmów modelowych należą gatunki posiadające szereg specyficznych cech, które są pożądane w badaniach naukowych. Dzięki swoim walorom organizmy modelowe stanowią swego rodzaju wzorzec badawczy, a eksperymenty z ich udziałem przyczyniły się do poznania wielu uniwersalnych praw i odegrały kluczową rolę w historii nauki. Preferowane w badaniach cechy organizmów to stosunkowo małe rozmiary i związana z tym możliwość hodowli w warunkach laboratoryjnych, duża płodność, szybki cykl życiowy, podatność na eksperymentalne manipulacje, a także dostępność informacji i technik badawczych. W celu odpowiedniego dobrania obiektu doświadczalnego należałoby rozważyć jakimi cechami powinien się on charakteryzować w świetle planowanych badań jak i posiadanego warsztatu badawczego. Odpowiednie dobranie obiektu do eksperymentu ma ogromne znaczenie, czego przykładem może być historia Erica Kandela uhonorowanego Nagrodą Nobla za odkrycia molekularnych podstaw procesów zapamiętywania i zapominania. Przełomem w karierze Kandela była zmiana obiektu badawczego z myszy na ślimaka kalifornijskiego (Aplysia californica) posiadającego o wiele prostszy układ nerwowy, a tym samym idealnie nadający się do badań z zakresu neurobiologii.

Ustalenie listy top model, tych najbardziej popularnych organizmów modelowych, jest problematyczne, ponieważ jest ich naprawdę wiele, a poszczególne z nich posiadają unikalne cechy predysponujące je do wykorzystania jako organizm modelowy w specjalistycznych dziedzinach biologii. Istnieją organizmy modelowe reprezentujące zarówno świat zwierząt jak i roślin, a także drożdży (drożdże piekarnicze, Saccharomyces cerevisiae), wirusów (bakteriofag lambda) czy bakterii (pałeczka okrężnicy, Escherichia coli).

Jednym z najpowszechniejszych modeli wśród organizmów bezkręgowych jest bez wątpienia wszechobecna w naszych kuchniach muszka owocowa (Drosophila melanogaster). Ten niewielki owad z rzędu muchówek zdobył ogromną sławę jako model w badaniach genetycznych. Muszka owocowa jest jednym z bohaterów chromosomowej teorii dziedziczności, która została sformułowana przez Thomasa Morgana po wieloletnich badaniach na tym właśnie gatunku. Efektem badań nad muszką owocową było odkrycie wielu genów, m.in. grupy genów związanych z kontrolą wczesnego rozwoju zarodka, genu p53 odpowiedzialnego za hamowanie rozwoju nowotworów czy genu Indy (z ang. I am not dead yet) nazwanego genem długowieczności. Ciekawostką jest fakt, że muszki owocowe z mutacją genu Indy regulującego metabolizm komórki żyły nie tylko dwukrotnie dłużej od pozostałych, ale też wolniej się starzały, co związane było z gromadzeniem i wykorzystywaniem energii w procesach życiowych. Odkrycie to może przyczynić się do zrozumienia czy i w jaki sposób niskokaloryczna dieta może wydłużać życie człowieka. Innym bezkręgowcem, który nie pozostaje w cieniu muszki owocowej jest nicień Caenorhabditis elegant, który od początku XX wieku wykorzystywany jest jako model w badaniach z zakresu embriologii, a także genetycznej regulacji rozwoju narządów i zaprogramowanej śmierci komórki.

Wśród kręgowców popularność w badaniach naukowych zdobyli zarówno przedstawiciele ryb - danio pręgowany (Danio rerio), płazów - żaba szponiasta (Xenopus laevis), ptaków - kura domowa (Gallus gallus) i zeberka (Taeniopygia guttata) oraz ssaków. Niekwestionowane jest znaczenie dla nauki takich ssaków modelowych jak mysz domowa (Mus musculus) czy świnia domowa (Sus scrofa domestica). Największy modelowy kręgowiec, jakim jest krewny dzika czyli świnia domowa jest powszechnie wykorzystywany w badaniach fizjologicznych, biochemicznych czy immunologicznych. Badania prowadzone na tym gatunku są nadzieją ksenotransplantologii polegającej na przeszczepianiu narządów pochodzących od przedstawicieli innego gatunku. Przeszczep narządów pochodzenia świńskiego wciąż pozostaje jedynie nadziejaą, niemniej jednak zastawki zbudowane z tkanki uzyskanej z serca świńskiego są wszczepiane pacjentom już od ćwierćwiecza.

W świecie roślin sukces na polu laboratoryjnym odniosły tytoń, kukurydza, a także chwast, jakim jest rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana). Ten ostatni jest rośliną synantropijną (żyjącą w sąsiedztwie zbiorowisk ludzkich), ruderalną (zasiedlającą podłoże zmienione przez człowieka) i bez problemu można znaleźć ją w przydrożnym rowie, lecz z pewnością możemy zaliczyć ten gatunek do czołówki organizmów modelowych pod względem popularności wśród naukowców. Roślina ta znalazła zastosowanie w badaniach związanych z fizjologią roślin (przekazywanie sygnałów hormonalnych i stresowych), funkcjonowaniem zegara biologicznego, roślinnymi komórkami macierzystymi czy genetycznymi podstawami fototropizmu. Warto podkreślić, że rzodkiewnik jest wykorzystywany jako wykrywacz min zmieniający kolor liści na czerwony pod wpływem tlenku azotu wydobywającego się z zakopanych materiałów wybuchowych. Praktyczne znaczenie rzodkiewnika to także jego zastosowanie jako hiperakumulator metali ciężkich z podłoża w tzw. fitogórnictwie. 

Organizmy modelowe stanowią niesamowity wachlarz możliwości i wspaniałe narzędzie pracy biologów. Wystarczy wymienić Nagrody Nobla z dziedziny fizjologii i medycyny chociażby z kilku ostatnich lat (2013 - odkrycie mechanizmu regulacji transportu pęcherzykowego -badania na drożdżach piekarniczych; 2012 - odkrycie mechanizmu przeprogramowania komórek somatycznych w komórki pluripotencjalne - badania na żabie szponiastej i komórkach mysich; 2011- odkrycia dotyczące aktywacji odporności wrodzonej-badania na muszce owocowej), aby przekonać się o znaczeniu organizmów modelowych dla nauki.

Na zbliżającej się wielkimi krokami Nocy Biologów uczestnicy będą mogli zdobyć wiedzę na temat organizmów modelowych - czym zaskarbiły sobie popularność wśród badaczy? W jakich przełomowych odkryciach uczestniczyły, jakie zagadki pomogły rozwikłać? Uczestnicy będą mieli możliwość obserwacji niektórych organizmów modelowych wykorzystywanych w badaniach biologicznych.

Warsztaty „Top model w biologii molekularnej” odbędą się w Katedrze Zoologii w godz. 15.00-15.45 oraz 16.00-16.45 (sala 265). Zapraszają dr Anna Leska i dr Olga Jabłońska.

dr Anna Leska, 
Katedra Zoologii