Mudelorganismid — mis need on ja miks neid teaduses kasutatakse
Mudelorganism on mitteinimese liik, mida uuritakse pikka aega ja põhjalikult, kogudes selle kohta palju teadmisi, et mõista üldisemaid bioloogilisi nähtusi. Eeldatakse, et mudelorganismis tehtud avastused annavad ülevaate ka teiste organismide — sealhulgas inimeste — toimimisest, kuna elusorganismide põhimehhanismid on sageli ühesugused.
Miks mudelorganisme kasutatakse?
Eelkõige kasutatakse mudelorganisme laialdaselt loomkatsetes ja põhimõttelistes uuringutes selleks, et uurida inimhaiguste võimalikke põhjuseid, arengubioloogiat, raku- ja molekulaarseid protsesse ning ravimeetodite mõju. Sellised uuringud on sageli vajalikud seal, kus inimeste peal katsetamine oleks võimatu, ohtlik või vähem eetiline. Lisaks võimaldavad mudelorganismid kontrollitud ja standardiseeritud tingimusi, kiiremaid tulemusi (lühike paljunemistsükkel) ning ulatuslikke geneetilisi manipulatsioone.
Miks see üldse võimalik on?
See strateegia tugineb teaduslikule faktile, et kõigil elusorganismidel on ühised jooned: nad on sarnased tänu ühisele põlvnemisele ning mitmete fundamentaalsete protsesside, nagu ainevahetuse, arenguradade ja geenide säilimisele evolutsiooni käigus. See tähendab, et avastused ühest liigist võivad sageli pakkuda selgitusi teiste liikide bioloogiaks.
Tüüpilised mudelorganismid ja nende kasutusvaldkonnad
- Escherichia coli — bakter, mida kasutatakse molekulaarbioloogia ja geenitehnoloogia põhialuste uurimiseks.
- Saccharomyces cerevisiae (pärm) — rakutsükli, ainevahetuse ja rakuorganellide uurimisel.
- Caenorhabditis elegans — lühikese elutsükli ja täpselt määratletud närvisüsteemiga uss; populaarne arengubioloogia ja programmeeritava surma (apoptoosi) uurimisel.
- Drosophila melanogaster (suhkrumardikas) — geneetika ja arengubioloogia klassika, tähtis mutatsioonide ja pärandumise uurimisel.
- Danio rerio (kirju kirp) — arengu- ja haavade paranemise modelleerimiseks, kuna embrüod on läbipaistvad.
- Mus musculus (hiir) — imetajate mudel, mis on väga oluline haigusmodelite ja ravimite eeluuringute jaoks.
- Arabidopsis thaliana — taimegeneetika ja arengu uurimine.
Eelised ja piirangud
Eelised:
- Kiire paljunemine ja lihtne kasvatamine laboritingimustes.
- Laialt kättesaadavad geneetilised tööriistad (mutandid, transgeenid, CRISPR jne).
- Võimalus läbi viia kontrollitud eksperimente ja korrata tulemusi.
- Madalamad kulud võrreldes inimkatsetega.
Piirangud:
- Mudelorganismid ei peegelda alati täpselt inimorganismi — erinevused raku-, kudede- ja organismitasandi omadustes võivad viia sellele raskesti ülekantavate tulemusteni.
- Füsioloogilised ja geneetilised erinevused võivad teha mõne haiguse modelleerimise keeruliseks.
- Üleliigne usaldus ühe mudeli tulemuste suhtes võib viia eksitavate järeldusteni ilma täiendavate valideerimiskatseteta.
Eetika ja alternatiivid
Mudelorganismidega töötamisel järgitakse sageli rahvusvahelisi ja riiklikke eetikareegleid ning põhimõtteid nagu 3R: reduce (vähenda), refine (täiusta) ja replace (asenda), et minimeerida loomade kannatusi ja vähendada nende kasutust. Teadus areneb ka alternatiivide suunas — in vitro süsteemid (rakukultuurid), organoidid, arv simulatsioonid ja andmeanalüüs aitavad paljusid küsimusi lahendada ilma loomkatseteta.
Kuidas valida sobiv mudelorganism?
Mudelorganismi valik sõltub uurimisküsimusest: mõned liigid sobivad paremini geneetiliste protsesside uurimiseks, teised arengu- või haigusmodeliteks. Oluline on hinnata bioloogilist relevantsust, praktilisust (kultiveeritavus, paljunemise kiirus), olemasolevaid tööriistu ja eetikatingimusi. Tihti kasutatakse mitut mudelit, et kinnitada ja laiendada leitud tulemusi.
Kokkuvõtlikult on mudelorganismid teaduses asendamatud instrumendid, mis annavad sügavat arusaama elustiku põhitõdedest ning aitavad arendada uusi ravimeetodeid. Samas peab nende kasutamisel olema teadlik nii teaduslikest piirangutest kui ka eetilistest kohustustest.
Escherichia coli on gramnegatiivne prokarüootiline mudelorganism.
Drosophila melanogaster , üks kuulsamaid geneetiliste katsete subjekte.
Mudelorganismid geneetikas
Drosophila melanogaster
Drosophila melanogaster oli üks esimesi geneetikas kasutatud loomi. Tänapäeval on ta üks kõige laialdasemalt kasutatavaid ja geneetiliselt tuntumaid eukarüootilisi organisme.
Kõik organismid kasutavad ühiseid geneetilisi süsteeme; transkriptsiooni ja replikatsiooni mõistmine puuviljakärbestes aitab mõista neid protsesse teistes eukarüootides, sealhulgas inimestes.
X-ga seotud tunnuste uuringud kinnitasid, et geenid asuvad kromosoomidel. Seotud tunnuste uuringud viisid esimeste kromosoomidel asuvate geneetiliste lokkide kaartide koostamiseni. Drosophila kromosoomide esimesed kaardid tegi Alfred Sturtevant.
Drosophila melanogaster on üks enim uuritud organisme bioloogilistes uuringutes, eriti geneetikas ja arengubioloogias. Selle täielik genoom sekveneeriti ja avaldati esmakordselt 2000. aastal.
Kuna selle arengust munast vastsest täiskasvanud isendini on palju teada, on ta arengugeneetika ehk evo-devo võtmemudel. Hox- ehk homeobox-geenid, mis kontrollivad arengut metasoomadel, töötati välja kõigepealt Drosophilas.
Escherischia coli
1946. aastal kirjeldasid Joshua Lederberg ja Edward Tatum esmakordselt bakteriaalse konjugatsioonina tuntud nähtust, kasutades mudelbakterina Escherichia coli.
E. coli oli lahutamatu osa esimestest eksperimentidest, mille eesmärk oli mõista faagigeneetikat, ning varajased teadlased, nagu Seymour Benzer, kasutasid E. coli ja faag T4'i geenistruktuuri topograafia mõistmiseks. Enne Benzeri uuringuid ei olnud teada, kas geen on lineaarne struktuur või on see hargneva struktuuriga.
E. coli oli üks esimesi organisme, mille genoomi sekveneeriti; E. coli K12 täielik genoom avaldati Science'is 1997. aastal.
Richard Lenski poolt 1988. aastal alustatud pikaajalised evolutsioonikatsed E. coli'ga on võimaldanud laboratooriumis otseselt jälgida suuri evolutsioonilisi muutusi.
Muud mudelorganismid
- Viirused
- Faag Lamda
- Tubaka mosaiikviirus
- Protistid
- Emiliana huxlei: kokkoolifoorne vetikas, mida on põhjalikult uuritud fütoplanktoni mudelliikidena.
- Chlamydomonas reinhardtii
- Seened
- Aspergillus nidulans
- Neurospora crassa
- Taimed
- Arabidopsis thalliana
- Zea mays Mais
- Pisum sativum, hernes
- Loomad
- Caenorhabditis elegans, nematoode
- Tribolium castaneum, jahukobras
- Drosophila melanogaster
- Mus musculus, hiir
- Rattus norvegicus, norra rott.
Küsimused ja vastused
K: Mis on mudelorganism?
V: Mudelorganism on mitteinimese liik, mida uuritakse paljude aastate jooksul, et mõista põhilisi bioloogilisi nähtusi.
K: Miks uuritakse mudelorganisme?
V: Mudelorganisme uuritakse, et koguda nende kohta palju teadmisi, et saada ülevaade teiste organismide toimimisest.
K: Millised on lootused mudelorganismide avastuste suhtes?
V: Lootus on, et mudelorganismides tehtud avastused annavad ülevaate sellest, kuidas teised organismid töötavad.
K: Kuidas kasutatakse mudelorganisme loomkatsetes?
V: Mudelorganisme kasutatakse laialdaselt loomkatsetes, et uurida inimeste haiguste võimalikke põhjuseid ja ravimeetodeid, kui inimeste peal katsetamine oleks võimatu või vähem eetiline.
K: Mis võimaldab mudelorganismide kasutamist loomkatsetes?
V: Mudelorganismide kasutamine loomkatsetes on võimalik tänu kõigi elusorganismide sarnasusele.
K: Miks on kõik elusorganismid sarnased?
V: Kõik elusorganismid on sarnased tänu nende ühisele põlvnemisele ning ainevahetuse ja arenguradade ja geenide säilimisele evolutsiooni käigus.
K: Mis kasu on ainevahetuslike ja arenguradade ning geenide säilimisest evolutsiooni käigus?
V: Metaboolsete ja arenguradade ning geenide säilimise eelis evolutsiooni käigus on see, et see võimaldab elusorganismide sarnasust, mis omakorda võimaldab kasutada mudelorganisme loomkatsetes.
