Модельные организмы – важные участники процесса научного познания. Самые удобные из них стали настоящими звездами в институтах и лабораториях мира – давайте с ними познакомимся.
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.
Топ-модель: домовая мышь (Mus musculus).
Области применения: медицина, онкология и фармакология, поведение и нейрофизиология.
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.
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.
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).
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.
Топ-модель: дрожжи (Saccharomyces cerevisiae).
Области применения: биотехнологии, клеточная биология, генная инженерия.
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.
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.