Bohaterowie laboratoriów

Żyj krótko, rozmnażaj się szybko i posiadaj mało genów – oto przepis na gwiazdę nauki. Przedstawiamy cztery organizmy, bez których nie byłoby współczesnej fizjologii czy medycyny!

Wszystkie stworzenia – te najmniejsze i te największe – mają wspólne korzenie. Z tak oczywistego faktu wynikają mniej już oczywiste podobieństwa genetyczne. Czasami zupełnie zaskakujące – np. u drożdży odkryto geny, które w ludzkim organizmie biorą udział w tworzeniu naczyń krwionośnych. Grzyby nie mają ani kropli krwi, ale korzystają z tych fragmentów DNA podczas naprawiania swych błon komórkowych i reagowania na niekorzystne czynniki środowiska.

Badając różne zwierzęta i rośliny naukowcy odkrywają krok po kroku, jak funkcjonuje żywy organizm i dlaczego czasem choruje. Powszechnie uważa się, że największe zasługi dla nauki mają szczury lub myszy. Nic bardziej błędnego! W laboratoriach żyje – i umiera – wielu cichych bohaterów, których wkład w badania biomedyczne jest bezcenny.

 

MUSZKA Z WIELKIMI CHROMOSOMAMI

Tylko jeden owad na świecie ma własną bazę danych, doroczne konferencje naukowe na swój temat oraz międzynarodową rzeszę naukowców, którzy poświęcają mu długie lata pracy. To muszka owocowa, zwana też drozofilą (Drosophila melanogaster). Mierzy zaledwie 2 mm i błyskawicznie pojawia się tam, gdzie są przejrzałe owoce, wino lub ocet. Z łatwością można ją hodować – wystarczy zwykła butelka i trochę fermentującej pulpy owocowej – i rozmnażać, bo drozofile składają do stu jaj dziennie. A to pozwala uczonym w krótkim czasie zbadać zmiany genetyczne zachodzące w kolejnych pokoleniach.

Genami muszek można o wiele łatwiej manipulować niż np. mysimi. Po części wynika to z tego, że larwy drozofili mają w swych gruczołach ślinowych wyjątkowo duże chromosomy (skręcone łańcuchy DNA, na których zapisane są geny), idealnie nadające się do badań nad funkcjonowaniem komórki. Naukowcy pracują z muszkami od półwiecza – dzięki nim udało się zrozumieć m.in., w jaki sposób z zapłodnionej komórki jajowej rozwija się wielokomórkowy, złożony organizm.

Co ciekawe, ponad dwie trzecie ludzkich genów ma swoje odpowiedniki w genomie drozofili. Dotyczy to np. genu p53, związanego z wieloma odmianami raka. Niektórzy badacze żartują, że Homo sapiens jest jak wielka muszka owocówka – tyle że bez skrzydeł. Owady te wykorzystuje się w badaniach nad chorobą Parkinsona i Huntingtona, rakiem i cukrzycą, epilepsją, zanikiem mięśni, a nawet kamicą nerkową, która także zdarza się u tych owadów. Drozofile były nawet odpowiednikami astronautów pracujących na stacji orbitalnej. Badania na nich miały rozstrzygnąć, jak pobyt w przestrzeni pozaziemskiej oddziałuje na DNA.

 

302 NEURONY ROBAKA

Z drozofilą konkuruje malutki nicień, który nie ma nawet polskiej nazwy – Caenorhabditis elegans. To hermafrodyta, żywiący się bakteriami i żyjący do 20 dni. Jego ciało składa się z dokładnie 959 komórek. Ma zwyczaj „kręcenia” głową na boki, jakby był niezwykle wybredny – stąd w łacińskiej nazwie słowo elegans, czyli elegancki. Był pierwszym gatunkiem w historii nauki, u którego odczytano cały zapis DNA. Obecnie kilkaset laboratoriów bada tego robaka, z czego kilkadziesiąt tylko jego układ nerwowy i mózg. Ten ostatni, ułożony w pierścień wokół gardła nicienia, składa się z 302 neuronów i 8 tys. synaps (u człowieka jest to odpowiednio 86 mld i 100 bilionów!).

Mimo tak prostej budowy zawiera on neurony odpowiedzialne za odczuwanie dotyku, smaku, zapachu i temperatury. Naukowcy stworzyli dokładną mapę połączeń komórek nerwowych C. elegans, co przydało się np. do badań nad środkami przeciwdepresyjnymi, takimi jak fluoksetyna (prozac). Podobnie jak drozofila, robak ten ma wiele genów bardzo podobnych do naszych. Świetnie funkcjonuje, gdy fragment jego własnego DNA zastępuje się ludzkim.

Żyje krótko, ale posiada geny, które u nas zwiększają ryzyko wystąpienia choroby Alzheimera i raka jelita grubego, więc wykorzystuje się go także do badań nad tymi chorobami. Dzięki nicieniowi udało się również lepiej poznać mechanizm apoptozy, czyli zaprogramowanej śmierci komórek (szwankuje on np. w nowotworach, które wskutek mutacji stają się „nieśmiertelne”). Możliwe, że C. elegans kiedyś pozwoli nam odkryć receptę na długowieczność. Zegar biologiczny robaka zwalnia, gdy jest on na diecie niskokalorycznej – organizm lepiej wykorzystuje wówczas energię, wolniej się porusza i żyje dwukrotnie dłużej. Odmładzają go także substancje takie jak tioflawina T i kurkumina (ta druga chroni ludzi przed nowotworami).

 

CHWAST, KTÓRY RATUJE UPRAWY

Rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana) to faworyt badaczy życia roślin. Jest niepozornym kuzynem kapusty, kalafiora oraz rzodkiewki – jadalnym, choć nie najsmaczniejszym. Dla naukowców jest jednak niesłychanie użyteczny. Potrzebuje tylko sześciu tygodni, by wykiełkować, urosnąć, zakwitnąć i wydać nasiona gotowe do wysiania (a może ich być nawet 10 tys.). Łatwo można go uprawiać na małej przestrzeni. Jak na roślinę ma bardzo mały genom, rozkodowany przez naukowców już 13 lat temu. Odpowiedniki jego genów znajdowane są w DNA innych dzikich i uprawnych gatunków.

Dzięki badaniom nad rzodkiewnikiem wiemy, jak różne rośliny produkują pąki liściowe, kwiaty, smakowite owoce. Praktyczne efekty tych prac to m.in. szybciej dojrzewające odmiany pomidorów, pszenica o większej odporności na choroby czy rzepak o wyjątkowo oleistych nasionach. Rzodkiewnik posiada geny, które pozwalają mu lepiej znosić wysokie i niskie temperatury, suszę, zasolenie, niedobory minerałów.

Rośliny uprawne, wskutek ingerencji hodowców, są słabsze niż te dziko rosnące, ponieważ selekcja podczas prac nad nowymi odmianami promowała szybki rozwój i okazałe rozmiary. To badania na rzodkiewniku pokazały, jak w komórkach roślinnych powstają substancje odstraszające owady. Te same związki chemiczne często są korzystne dla naszego zdrodoświadczalny 😉 wia, chroniąc nas np. przed nowotworami.

 

RYBKA SIĘ REGENERUJE

Wschodzącą laboratoryjną gwiazdą jest danio pręgowany (Danio rerio). Ta słodkowodna azjatycka rybka jest wyjątkowo „twardą sztuką” – nawet początkujący akwarysta poradzi sobie z jej hodowlą. Naukowców interesuje, ponieważ jest kręgowcem, więc ma podobne do naszych organy i tkanki. Co więcej, przezroczyste embriony danio rozwijają się poza organizmem matki, więc można prowadzić badania, nie zabijając samic.

Pod mikroskopem krok po kroku widać formowanie się nowego organizmu – od podziałów zygoty po formowanie się narządów, początek pracy serca i krew zaczynającą krążyć w miniaturowych żyłach i tętnicach. Transformacja bezkształtnej bryłki komórek w całkowicie uformowaną rybkę trwa tylko 24 godziny. Naukowcy mogą niezwykle precyzyjnie zmieniać pojedyncze geny w rozwijającym się embrionie sprawdzając, w jaki sposób te mutacje wpływają na wzrost i zachowanie danio. Także i w tym przypadku podobieństwa do Homo sapiens są zadziwiająco duże. DNA danio zawiera odpowiedniki aż 84 proc. genów zwiększających ryzyko różnych chorób w organizmie człowieka. Możliwe nawet, że nauczymy się od tej rybki czegoś zupełnie nowego.

Danio ma wrodzoną zdolność regeneracji uszkodzonych narządów. Naukowcy zidentyfikowali cząsteczki, które pobudzają proces odnowy zniszczonego mięśnia sercowego – być może kiedyś przełoży się to na nową terapię kardiologiczną. Danio potrafi również regenerować uszkodzone komórki siatkówki – czopki i pręciki – co daje nadzieję na przywracanie wzroku osobom niewidomym czy niedowidzącym. Azjatyckie rybki wzbogaciły wiedzę onkologów na temat czerniaka i raka skóry, a ostatnio pomagają w testowaniu nowych leków ułatwiających rzucenie palenia.

Więcej o nowatorskich sposobach leczenia – „Nowe terapie. Przyszłość medycyny”, praca zbiorowa (G+J Książki 2011)