Της Μαρίας-Κωνσταντίνας Λάππα,
Από τα μέσα του 20ου αιώνα, η βιολογία και η ιατρική εξελίσσονται συνεχώς. Καθώς οι βιολογικοί μηχανισμοί εξακριβώνονται, νέα δεδομένα ανακαλύπτονται, επιτρέποντας τη διεξοδική έρευνα όλο και περισσότερων γενετικών λειτουργιών, που σχετίζονται με την εμφάνιση χαρακτηριστικών γνωρισμάτων ή την πρόκληση ασθενειών με απώτερο στόχο τη βελτίωση της ανθρώπινης υγείας μέσω της ανάπτυξης τεχνικών πρόληψης και σύγχρονων μεθόδων θεραπείας. Πίσω από όλες αυτές τις επιδιώξεις, πραγματοποιείται ένας μεγάλος αριθμός πειραμάτων και γενετικών μελετών, για τα οποία κρίνεται αναγκαία η χρήση ενός οργανισμού-μοντέλου, ώστε οι επιστήμονες να ερμηνεύσουν ικανοποιητικά τα αποτελέσματα και να τα προσαρμόσουν στις ιδιότητες και στις λειτουργίες του ανθρώπινου οργανισμού.
Ένα πειραματικό μοντέλο, είναι απαραίτητο να διαθέτει ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά που θα διευκολύνουν την πειραματική διαδικασία και θα το καθιστούν ιδανικό για μελέτη, παρατήρηση και εξαγωγή συμπερασμάτων. Συνήθως, στον ρόλο αυτόν ανταποκρίνονται μικροοργανισμοί, όπως ο ζυμομύκητας, ή ακόμη και ζώα, ανάλογα με τον σκοπό και το θέμα της εκάστοτε έρευνας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιου ζώου είναι ο νηματώδης σκώληκας, Caenorhabditis elegans.
Ταξινόμηση στο βασίλειο των ζώων και σύντομη περιγραφή της φυσιολογίας
Πρόκειται για έναν ευκαρυωτικό οργανισμό, ο οποίος ανήκει στο φύλο των νηματωδών. Τα ζώα αυτά είναι τριπλοβλαστικά, ψευδοκοιλωματικά και παρουσιάζουν αμφίπλευρη συμμετρία. Ο «κομψός» καινοραβδίτης δεν έχει αναπνευστικό, ούτε κυκλοφορικό σύστημα. Διαθέτει, όμως, φάρυγγα, γονάδες, έντερο και επιδερμίδα με κολλαγόνο. Ακόμη, διαθέτει ένα σύνολο από μύες οι οποίοι σε συνδυασμό με ένα ανεπτυγμένο νευρικό σύστημα, του επιτρέπουν να κινείται χαρακτηριστικά. Τα περισσότερα άτομα είναι ερμαφρόδιτα, ενώ ένα πολύ μικρό ποσοστό είναι αρσενικά. Ζει και αναπτύσσεται στο έδαφος σε εύκρατες και τροπικές περιοχές, καθώς επίσης και σε σαπισμένα φρούτα ή φυτικά υπολείμματα, όπου βρίσκει την οργανική ύλη και τα βακτήρια που χρειάζεται για να τραφεί.
Τα χαρακτηριστικά που το καθιστούν ιδανικό πειρατικό μοντέλο
- Ο εν λόγω καινοραβδίτης, παρουσιάζει σύντομο κύκλο ζωής, περίπου τρεις ημέρες. Το γεγονός αυτό, επιτρέπει την ταχεία μελέτη των μηχανισμών που σχετίζονται με βασικές βιολογικές λειτουργίες του οργανισμού και την άμεση εξαγωγή των ανάλογων συμπερασμάτων, χωρίς την αναμονή μεγάλων χρονικών περιόδων, που ενδεχομένως θα δυσχέραιναν την πειραματική διαδικασία.
- Το γονιδίωμά του είναι πλήρως αναγνωρισμένο. Αυτό σημαίνει ότι είναι γνωστά, ο αριθμός των γονιδίων και επίσης η «τοποθεσία» και η λειτουργία του κάθε γονιδίου του νηματώδη σκώληκα. Πιο συγκεκριμένα, το 1998 πραγματοποιήθηκε η ολοκληρωτική γενετική ανάλυση του γονιδιώματος του c. elegans και έγινε ο πρώτος πολυκύτταρος οργανισμός για τον οποίον επιτεύχθηκε πλήρης γενετική χαρτογράφηση. Έτσι, ανακαλύφθηκε ότι το DNA του, οργανώνεται σε 6 χρωμοσώματα (στα ερμαφρόδιτα άτομα), πάνω στα οποία εδράζονται περίπου 20.000 γονίδια που παράγουν πρωτεΐνες, απαραίτητες για τη δομή και τη λειτουργία του οργανισμού. Με αυτά τα δεδομένα, ο βιολογικός του κύκλος καθίσταται πλήρως γνωστός και έτσι μπορεί να αξιοποιηθεί ως μοντέλο σύγκρισης, σε έρευνες προσδιορισμού αλληλουχίας γονιδιωμάτων άλλων ειδών.
- Ο c. elegans παρουσιάζει σημαντική γενετική ομολογία με τον ανθρώπινο οργανισμό. Ειδικότερα, ένα ποσοστό 35-40% των γονιδίων του είναι ομόλογα με αυτά του ανθρώπου. Παρόλο που διαφοροποιείται η διάταξή τους στο γονιδίωμα του καινοραβδίτη σε σχέση με τον άνθρωπο (στο νηματώδη σκώληκα θα βρούμε ομαδοποιημένα γονίδια, ενώ στον άνθρωπο όχι), πολλές αλληλουχίες είναι πανομοιότυπες και κωδικοποιούν αντίστοιχα όμοιες αλληλουχίες αμινοξέων στην πεπτιδική αλυσίδα. Αυτή η ομολογία ανάμεσα στα γονίδια του ανθρώπου και του c.elegans, καθιστούν το τελευταίο πολύτιμο οργανισμό για βιοιατρικές έρευνες, που σχετίζονται με τη μελέτη της μοριακής και της γενετικής βάσης των ασθενειών, με σκοπό τον προσδιορισμό των αιτιών πρόκλησής τους και, επίσης, πιθανών τρόπων πρόληψης και θεραπείας.
- Είναι διαφανής και άρα είναι διακριτές όλες οι κυτταρικές σειρές και δομές. Το γεγονός αυτό, καθιστά δυνατή τη ζωντανή παρακολούθηση των βιολογικών διεργασιών που διαδραματίζονται στο σώμα του νηματώδη σκώληκα, ακόμη και μέσα στα κύτταρά του. Μέσα από το οπτικό μικροσκόπιο, δηλαδή, είναι ορατές οι λειτουργίες του νευρικού του συστήματος, καθώς, επίσης, και διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στον εσωτερικό χώρο του κυττάρου, όπως για παράδειγμα η κυτταρική διαίρεση. Η διαφάνεια του σώματός του, διευκολύνει τη μελέτη σημαντικά, αφού δεν απαιτείται η απομάκρυνση του ζώου από το περιβάλλον ανάπτυξής του όπως και καμία άλλη επεμβατική τεχνική για την παρακολούθησή του. Προτιμάται, ακόμη, η χρήση φθοριζουσών ουσιών για την παρατήρηση, μιας και εύκολα διακρίνονται τα οπτικά αποτελέσματα από την επίδρασή τους στο ζώο και στα κύτταρά του. Έτσι, εύκολα διεξάγονται συμπεράσματα για τον εκάστοτε ερευνητικό στόχο που αφορά το κάθε πείραμα.
- Η καλλιέργεια του στο εργαστήριο δεν παρουσιάζει δυσκολίες, καθώς αναπτύσσεται εύκολα σε τριβλία και τρέφεται με βακτήρια. Το μικροσκοπικό αυτό ζώο μπορεί να μεγαλώσει σε ένα τριβλίο, λόγω του μεγέθους του (1-1,5μμ) και λόγω των διατροφικών του συνηθειών, καθώς χρειάζεται μόνο έναν πολυσακχαρίτη, αγαρόζη και βακτήρια E.coli. Ακόμη, έχει την ικανότητα να ζει και να επιβιώνει σε ακραίες συνθήκες.
- Σε έναν πληθυσμό, η συντριπτική πλειοψηφία θα είναι ερμαφρόδιτα ζώα. Αυτό σημαίνει ότι ο c.elegans έχει τη δυνατότητα αυτογονιμοποίησης και ότι δεν απαιτείται η παρουσία ενός δεύτερου ατόμου για την αναπαραγωγή του οργανισμού. Πρακτικά, προκύπτει ο κλώνος του οργανισμού που αναπαράγεται, καθώς η γενετική πληροφορία του απογόνου προέρχεται εξ΄ ολοκλήρου μόνο από ένα άτομο. Με τον τρόπο αυτό, ευνοείται σε μεγάλο βαθμό η γενετική σταθερότητα και εξασφαλίζεται ομοιογένεια στον πληθυσμό, γεγονός που διευκολύνει μελέτες και πειράματα, στα οποία η γενετική ποικιλομορφία θα οδηγούσε ενδεχομένως στον αποπροσανατολισμό του ερευνητή. Μάλιστα, εκτός αυτού, εξασφαλίζεται και μεγάλος αριθμός απογόνων, άρα και ταχύτερη διεξαγωγή και ολοκλήρωση των πειραμάτων.
- Τέλος, καθίσταται εύκολη η πραγματοποίηση πειραμάτων μεταλλαξιγένεσης στο γονιδίωμα του c. elegans, λόγω του μικρού μεγέθους του γονιδιώματός του και της μικρής πολυπλοκότητάς του. Πιο συγκεκριμένα, εφαρμόζονται εξειδικευμένες μέθοδοι και τεχνικές, οι οποίες προκαλούν στοχευμένες αλλαγές στο DNA των κυττάρων του νηματώδη σκώληκα, όπως απενεργοποίηση κάποιου συγκεκριμένου γονιδίου. Οι αλλαγές αυτές οδηγούν με τη σειρά τους σε φαινοτυπικές τροποποιήσεις, βάσει των οποίων ο ερευνητής θα διεξάγει το συμπέρασμα σχετικά με τον ρόλο και τη λειτουργία της γενετικής αλληλουχίας που μεταλλάχτηκε. Κατά συνέπεια, χωρίς ιδιαίτερη δυσκολία, αναλύονται τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τη μελέτη στον c.elegans και με βάση αυτά, χρήσιμα δεδομένα μπορεί να προκύψουν και να συσχετιστούν με τις αντίστοιχες λειτουργίες που αφορούν τον ανθρώπινο οργανισμό.
Από το 1963, που ο Sydney Brenner πρότεινε τη βαθύτερη μελέτη του καινοραβδίτη έως και σήμερα, το ζώο αυτό χρησιμοποιείται ευρύτατα ως πρότυπο οργανισμού. Μάλιστα, τρία βραβεία Νόμπελ Ιατρικής και ένα βραβείο Νόμπελ Χημείας έχουν απονεμηθεί σε έρευνες που βασίστηκαν στην παρατήρηση του νηματώδη σκώληκα. Στη μοριακή βιολογία, ο Caenorhabditis elegans, αναμφίβολα, θεωρείται ένα από τα σημαντικότερα πειραματικά μοντέλα. Η ευκολία διαχείρισής του, η δυνατότητα παρατήρησης βιολογικών διεργασιών σε πραγματικό χρόνο σε συνδυασμό με τη γενετική του ομοιότητα με τον άνθρωπο, τον καθιστούν κατάλληλο οργανισμό για πειράματα βιοιατρικής έρευνας. Οι πολυάριθμες ανακαλύψεις, που βασίστηκαν στη μελέτη του, αποδεικνύουν τη χρησιμότητα του και τη διαχρονική αξία του στην επιστημονική πρόοδο και στα ερευνητικά επιτεύγματα.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Molecular Biology of the Cell, National Center for Biotechnology Information, διαθέσιμο εδώ
- Βιολογία. Ζίφα Α., Μαμούρης Μ., Μούτου Κ. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Θεσσαλίας, Βόλος 2011
