Modelorganismen zijnsoorten die in wetenschappelijk onderzoek gebruikt worden ombiologische eigenschappen en mechanismen te bestuderen. Ze spelen een belangrijke rol ingenetisch,ontwikkelingsbiologisch enbiomedisch onderzoek. Doordat de fundamentele eigenschappen van organismen in de evolutie vaak hetzelfde zijn gebleven, kan de studie van een enkele soort ons veel vertellen over de biologie van verwante organismen, inclusief demens.
Modelorganismen zijn vaak uitgekozen omdat ze specifieke eigenschappen hebben die de bestudering gemakkelijk maken, zoals een kortelevenscyclus, handzame omvang of snelle opeenvolging vangeneraties. In sommige gevallen wordt een organisme uitgekozen omdat het in zijn genetica of fysiologie overeenkomt met de mens. Veel ziekteprocessen die geldig zijn in de mens, zijn uitstekend te verklaren en te modelleren in andere gewervelde dieren, zoals de zebravisDanio rerio of de muisMus musculus.
Vroege experimenten aan de bacterieE. coli wierpen licht op fundamentele moleculair-biologische processen die geldig zijn in alle levende cellen, zoalsDNA-replicatie. Onderzoek aan de eencellige gistS. cerevisiae, die nog steeds gebruikt wordt als een modelorganisme vooreukaryotische celbiologie, heeft de moleculaire basis onthuld voor de processen die uniek zijn voor eukaryoten, zoals decelcyclus,signaalroutes enmeiose. Van de meeste modelorganismen is hetgenoom goed bekend, en methodieken om in te grijpen op het DNA zijn vaak goed ingeburgerd.
Sommige soorten laten zich makkelijker lenen voor wetenschappelijk onderzoek dan andere. Zo zijn er planten en dieren die zich snel in het laboratorium voortplanten, of zich gemakkelijk laten manipuleren met behulp vangenetische technieken. Hoe meer kennis er over een bepaald organisme verzameld wordt, hoe aantrekkelijker dit organisme wordt voor verdere bestudering.[1] In de loop van de geschiedenis hebben biologen zich om deze reden gefocust op een klein aantal uitgekozensoorten. De lijst van deze representatieve modelorganismen is redelijk lang en groeit nog steeds, maar er zijn er een aantal die er historisch gezien uitspringen – deze soorten zijn van fundamenteel belang geweest voor de ontrafeling van de (moleculaire)biologie van levende wezens.
.jpg)
In de vroege dagen van de moleculaire biologie werd veel onderzoek verricht aan de bacterieEscherichia coli, vaak kortwegE. coli genoemd. Deze algemeen voorkomende darmbacterie stelt niet veel eisen aan zijn omgeving en groeit snel in een simpel voedingsmedium. Basale principes van moleculaire biologie – bijvoorbeeld hoe hetDNA zich kopieert en hoe de DNA-code gelezen wordt om eiwitten te maken – werden oorspronkelijk opgehelderd in experimenten metE. coli.[2] Deze mechanismen zijn vrijwel universeelgeconserveerd in de evolutie, wat wil zeggen dat ze ook gelden in alle andere vormen van leven, inclusief de mens.
NaastE. coli zelf zijn ook virussen die deze bacterie infecteren, zogenaamdebacteriofagen, van essentieel belang geweest in moleculair onderzoek. Debacteriofaag-λ en debacteriofaag T4 konden, dankzij hun kleine en compacte genomen, relatief makkelijk genetisch gemanipuleerd worden. Vanaf de jaren 1970 werden hierdoor de eerste genen ontdekt die coderen voor de replicatie van het virale DNA. Zo kon het principe vanDNA-replicatie opgehelderd worden.[3] Bacteriën spelen nog steeds een cruciale rol als gastheerorganisme in debiotechnologie enmicrobiologie.[4] Men gebruiktE. coli bijvoorbeeld routinematig om een gewenst stukje DNA tekloneren. Hiervoor zijn speciale laboratoriumstammen van de bacterie ontwikkeld.
Om de werking van deeukaryotische cel te onderzoeken, maken wetenschappers graag gebruik van een kleineeencellige eukaryoot, de bakkersgistSaccharomyces cerevisiae. Deze soort wordt al duizenden jaren door de mens toegepast bij het brouwen van bier en het bereiden van brood.S. cerevisiae behoort tot het rijk van deschimmels, en lijkt qua genoom meer opdieren dan opplanten.[5] Net als andere schimmels heeft de gist eenchitineuze celwand en beschikt overmitochondriën voor energieproductie.
_agariplaadil..JPG)
Het genoom van de gistS. cerevisiae is, voor eukaryotische maatstaven, uitzonderlijk klein, maar het volstaat voor alle basistaken die elke eukaryotische cel moet uitvoeren. Dankzij uitgebreid onderzoek aan gistcellen hebben wetenschappers mechanismen ontdekt die uniek zijn voor eukaryoten, zoals deceldelingscyclus (de processen waarbij de kern en alle andere componenten van een cel worden verdubbeld en verdeeld over de twee dochtercellen) enmeiose (het proces waarbij de voortplantingscellen van een organisme worden gevormd). Ook zijn inzichten in de eukaryotische chromosoomstructuur, de interne organisatie van decelkern, de mechanismen vaneiwitsecretie en de werking vansignaaltransductieroutes, grotendeels voortgekomen uit onderzoek aan gisten. De processen zijn zo fundamenteel dat ze vaak op precies dezelfde manieren opgaan in menselijke cellen.[6]
Bij het botanisch genetisch onderzoek is ervoor gekozen het onderzoek te concentreren op zandraket (Arabidopsis thaliana), een kleine vertegenwoordiger van dekruisbloemenfamilie.[7] Deze kleine, geharde plant is relatief eenvoudig te kweken, en een volgroeid individu kan duizenden nakomelingen opleveren. De plant is eenzelfbestuiver, waardoor de erfelijke eigenschappen zonder wijzigingen aan het nageslacht worden doorgegeven. Dit maakt de soort bijzonder geschikt voor genetische analyse.
Zandraket was de eerste plant waarvan het volledigegenoom werd bepaald. Het genoom is relatief compact, met slechts 135 miljoen basenparen en weinigrepetitief DNA. Alle belangrijke genen zijn in kaart gebracht, en duizenden mutante exemplaren van de plant zijn commercieel verkrijgbaar. Voor de veredeling vangewassen is de genetische beïnvloeding en screening van dergelijke mutanten buitengewoon belangrijk.
Onderzoek aan zandraket heeft geleid tot detailkennis van vrijwel alle moleculaire processen in planten. Men heeft met behulp van deze modelplant onder andere licht geworpen op de mechanismen vanbloemontwikkeling (en de coördinatie ervan met het jaargetijde), het vermogen van planten om naar hetlicht te groeien, de regulering van groei door middel vanhormonen, en het specialeafweersysteem waarmee de plant ziekteverwekkers tegenhoudt.[8]
Caenorhabditis elegans was het eerste dier, tevens het eerste meercellige organisme, waarvan het genoom volledig werd bepaald.C. elegans is een kleine, vrijlevende rondworm met een levenscyclus van slechts enkele dagen. Deze microscopisch kleine worm kan voor lange tijd worden opgeslagen in de vriezer zonder dood te gaan. Zijn transparante lichaam en vermogen tot zelfbevruchting maakt hem zeer geschikt voor genetische manipulatie en microscopisch onderzoek.
C. elegans heeft enkele doorbraken teweeggebracht in deontwikkelingsbiologie en moleculairecelbiologie. De rondworm ontwikkelt zich met een precisie die aan het wonderbaarlijke grenst: een bevruchte eicel groeit uit tot een volwassen individu van exact 959 lichaamscellen (en een variabel aantal ei- en zaadcellen). Onderzoekers hebben na vele decennia aan analyse een zeer gedetailleerd beeld gekregen van hoe deze ontwikkeling verloopt; hoe de cellen delen, bewegen en veranderen onder invloed van specifieke signalen.[9]
Onderzoek aanC. elegans heeft licht geworpen op de mechanismen van geprogrameerde celdood (apoptose), zowel in normale ontwikkeling als in de vorming vankanker. Daarnaast heeft de soort een belangrijke rol gespeeld in de ontrafeling vanRNA-interferentie, een fundamenteel celproces waarmee bijna alle eukaryotische levensvormen hungenexpressie reguleren.[9] RNA-interferentie werd met behulp vanC. elegans uitgewerkt tot een genetische technologie waarmee onderzoekers genexpressie heel gericht kunnen stilleggen.
