РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Топ-модели биологии

Модельные организмы – важные участники процесса научного познания. Самые удобные из них стали настоящими звездами в институтах и лабораториях мира – давайте с ними познакомимся.
Тэги:
Charlotte Hu, Cold Spring Harbor Laboratory
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Для кого-то модель – это профессия, но в науке так называют любую систему, с помощью которой можно изучить другую систему. Биологи используют модельные организмы для поиска общих свойств и механизмов, характерных для целых групп, а иногда – и для всего живого. Такой подход известен с незапамятной древности: эксперименты на животных ставил еще Аристотель. А французский химик Антуан Лавуазье использовал морских свинок, чтобы показать, что кислородное дыхание – это тот же процесс окисления, что и горение. К началу 20 в. морские свинки сделались настолько популярными среди ученых, что их название стало синонимом слова «подопытное животное».

Сегодня морские свинки используются уже далеко не так часто, вытесненные более удобными моделями – мышами и крысами. Подходящий на эту роль вид должен быть максимально неприхотлив и прост для выращивания и содержания в лаборатории. Желательно, чтобы организм рос и созревал быстро, сменяя поколение за поколением, а его применение не вызывало особых этических сложностей. Он должен быть хорошо изучен и легок в манипуляциях. И, конечно, существо, которое хочет стать моделью, должно подходить для изучения той самой системы, которую мы ей заменяем.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Модель: Лотос.
Особенности: В корневых клубочках содержит бактерии, помогающие улавливать и использовать азот из воздуха.
Области применения: Симбиотические отношения растений и азотфиксирующих бактерий.

Ученые нашли десятки организмов, служащих моделями для изучения разных биологических явлений и процессов. Грызуны голые землекопы помогают исследовать старение и механизмы защиты от опухолей, бактерии-экстремофилы Thermus thermophilis – устойчивость к тепловому шоку, аксолотли – регенерацию тканей. Но исторически нашлись организмы, подходящие на эту роль больше других. Этих существ можно найти если не в любой лаборатории, то наверняка в любом университете или институте на Земле: здесь они популярны, как топ-модели, лучшие в своем классе.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Aaron Logan
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Топ-модель: домовая мышь (Mus musculus).
Области применения: медицина, онкология и фармакология, поведение и нейрофизиология.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Первое задокументированное использование лабораторных мышей встречается в работах Роберта Гука, который в середине 18 в. исследовал на них влияние давления на циркуляцию крови. Сегодня это – самая популярная модель из всех позвоночных: только в США, по разным оценкам, в год используется от 10 до 25 миллионов мышей. Они исключительно удобны хотя бы потому, что уже дней через 10 с момента рождения становятся полностью половозрелы и способны дать новое потомство. В нормальных условиях мыши воспроизводятся каждые три недели, позволяя быстро менять поколение за поколением.

Модель: Африканская шпорцевая лягушка.
Особенности: Геном полностью секвенирован, эмбрионами легко манипулировать.
Области применения: Экспрессия генов, биология развития.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

За счет близкородственного скрещивания можно получать «чистые» линии с почти идентичными геномами. При этом их физиология близка человеческой, позволяя изучать многие общие заболевания, а для других – получать мышиные модели с помощью генетики и селекции. Ученые умеют неплохо манипулировать их геномом, в том числе и с помощью технологий CRISPR. Их ДНК была полностью секвенирована еще в 2002 г. Особенно важны мыши для изучения рака, и для большинства опухолей имеются свои модельные линии.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Топ-модель: дрозофила (Drosophila melanogaster).
Области применения: генетика, фармакология.

Плодовые мушки – главные модели для генетиков, первые опыты на которых ставил еще один из основоположников этой науки Томас Морган, в начале 20 в. Именно на дрозофилах он показал, что гены, «элементы наследственности», находятся в хромосомах, – еще до того, как выяснилась роль ДНК в этих процессах. Эти насекомые замечательно просты и дешевы в содержании, а их жизненный цикл длится не более пары недель. Вывести чистую линию, несущую нужный признак, можно всего за полтора месяца, и при Корнелльском университете действует целый банк линий дрозофил (Drosophila Species Stock Center).

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Модель: Гидра.
Особенности: Нехитрое микроскопическое кишечнополостное животное с огромными способностями к регенерации.
Области применения: Регенерация, рост и дифференциация тканей.

Простота скрещивания и разведения дрозофил, которая привлекла Моргана, сегодня вылилась в простоту точных манипуляций их геномом. Существуют системы – биохимические методы, – позволяющие управлять работой отдельных генов мухи и наблюдать за результатом (например, системы GAL4/UAS и LexA). С их помощью удается исследовать и человеческие болезни, поскольку большинство вовлеченных в эти процессы генов имеют у мух свои гомологи. Существуют модельные линии дрозофил даже для болезни Альцгеймера.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Rainis Venta
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Топ-модель: дрожжи (Saccharomyces cerevisiae).
Области применения: биотехнологии, клеточная биология, генная инженерия.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Те же дрожжи, которые сбраживают пиво или заставляют подниматься тесто, сплошь и рядом используются в биологических лабораториях. Здесь их несложно разводить, а от рождения клетки до деления проходит всего лишь около двух часов, обеспечивая быструю смену поколений. Эти микроскопические грибки считаются одними из самых простых эукариот, однако содержат почти все те же внутриклеточные компоненты, что и клетки животных и растений. Геном дрожжей был секвенирован одним из первых, и сегодня ученые могут довольно легко им манипулировать.

Модель: Курица.
Особенности: Легко разводить. Эмбрион в яйце быстро развивается, его легко наблюдать, им просто манипулировать.
Области применения: Биология развития.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Около 23 процентов их генов – общие с людьми, и ученые умеют получать даже дрожжевые модели раковых заболеваний, хотя такие работы затем приходится повторять на более близких организмах. Более того, они применяются для изучения нейроденегаривных процессов, хотя никаких нейронов у них, разумеется, нет. Болезнь Паркинсона, связанная с накоплением в клетках неправильно свернутых белков, активно изучается на дрожжах, у которых производство подобных белков (например, альфа-синуклеина) стимулируют искусственно.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
NHGRI
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Топ-модель: плоский червь (Caenorhabditis elegans).
Области применения: биология развития и нервной системы.

Нематоды C. elegans проникли в лаборатории сравнительно недавно, в начале 1960-х, когда Сидни Бреннер (Sydney Brenner) – будущий Нобелевский лауреат из ЮАР – стал использовать их для изучения развития нервной системы. Для этого они оказались исключительно удобны: быстрое развитие и короткий жизненный цикл дополняет гермафродитизм, позволяющий выделять чистые линии без больших проблем. Их нервная система состоит из 302 клеток, и сегодня она – единственная, для которой составлен полный коннектом, то есть детальная карта всех соединений.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Модель: Фаг лямбда.
Особенности: Вирус, поражающий бактерий.
Области применения: Молекулярная генетика, основы.

Все тело нематоды включает ровно 1031 клетку, и судьба каждой из них детально прослежена с момента развития. Червь остается полупрозрачным всю свою жизнь, позволяя наблюдать многие внутренние процессы и отслеживать их с помощью флуоресцентных белков-маркеров. Благодаря такому набору блестящих характеристик C. elegans – исключительно удобные модели для исследований в самых разных областях. На них изучали даже развитие никотиновой зависимости, сон и влияние перегрузок на организм.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Dean Morley
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Топ-модель: резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana).
Области применения: молекулярная генетика, микробиология, биотехнологии.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Самая популярная модель в ботанике, генетике и физиологии растений. Она относится к эфемерам, однолетним растениям с крайне коротким вегетационным периодом, которые в природе появляются лишь на несколько дней или недель в году, быстро вырастают, дают плоды и отмирают, пока семена дожидаются следующего подходящего времени. В лаборатории на все – от проращивания семени до получения новых семян – достаточно и шести недель.

Модель: кишечная палочка (Escherichia coli).
Особенности: великолепно изученная, простая и распространная Грам-отрицательная бактерия.
Области применения: молекулярная генетика, микробиология, биотехнологии.

Резуховидка появлялась в научных работах с конца 19 в., но ее массовое использование началось лишь с середины 1940-х, благодаря работам Фридриха Лайбаха (Friedrich Laibach) и Эрны Рейнгольц (Erna Reinholz), которые вызывали мутагенез у растений с помощью рентгена. В следующие десятилетия появились методы и инструменты для манипуляций с генетикой резуховидки – и в 1965 г., когда прошло первое собрание International Arabidopsis Conference заняла положение «топ-модели». Секвенирование ДНК резуховидки шло параллельно проект «Геном человека» и было закончено еще в 2000-м. А к 2010-му ученые даже надеялись установить функции всех без исключения генов растения (их насчитывается более 30 тыс.), – хотя окончательно эта задача не решена до сих пор.

Загрузка статьи...