История модельных организмов
История модельных организмов началась с идеи, что определенные организмы можно изучать и использовать для получения знаний о других организмах или в качестве контроля (идеала) для других организмов того же вида . Модельные организмы предлагают стандарты, которые служат авторитетной основой для сравнения других организмов. [1] Модельные организмы становятся стандартными за счет ограничения генетической изменчивости , создавая, как мы надеемся, широкую применимость к другим организмам. [1]
Идея модельного организма впервые укоренилась в середине XIX века благодаря работам таких людей, как Чарльз Дарвин и Грегор Мендель а также их работам по естественному отбору и генетике наследственности , . Поскольку первые модельные организмы были представлены в лабораториях в 20 веке, эти ранние попытки определить стандарты для измерения организмов продолжались. Начиная с начала 1900-х годов дрозофилы вошли в исследовательские лаборатории и открыли двери для других модельных организмов, таких как вирус табачной мозаики , кишечная палочка , C57BL/6 (лабораторные мыши) и т. д. Эти организмы привели ко многим достижениям в прошлом столетии.
Предварительные работы над модельными организмами [ править ]
Некоторые из первых работ с тем, что можно было бы считать модельными организмами, начались потому, что Грегор Иоганн Мендель почувствовал, что взгляды Дарвина недостаточны для описания формирования нового вида , и начал свою работу с растениями гороха , которые так широко известны сегодня. В своих экспериментах по поиску метода, с помощью которого можно было бы объяснить идеи Дарвина, он гибридизировал и скрещивал горох и обнаружил, что при этом он может выделить фенотипические характеристики гороха. Эти открытия, сделанные в 1860-х годах, оставались бездействующими почти сорок лет, пока не были вновь открыты в 1900 году. Затем работу Менделя соотнесли с тем, что называлось хромосомами внутри ядра каждой клетки. Мендель создал практическое руководство по селекции, и этот метод был успешно применен для отбора некоторых из первых модельных организмов других родов и видов, таких как морские свинки , дрозофилы (дрозофилы), мыши и вирусы, такие как вирус табачной мозаики . [2]
Современные модельные организмы [ править ]
Дрозофила [ править ]
Плодовая мушка Drosophila melanogaster совершила прыжок из природы в лабораторное животное в 1901 году. В Гарвардском университете Чарльз В. Вудворт предположил Уильяму Э. Каслу , что дрозофилу можно использовать для генетических работ. [3] Затем Касл вместе со своими учениками впервые привез муху в свои лаборатории для экспериментального использования. К 1903 году Уильям Дж. Моенхаус вернул дрозофилу в свою лабораторию Медицинской школы Университета Индианы. Моенхаус, в свою очередь, убедил энтомолога Фрэнка Э. Лутца , что этот организм подойдет для работы, которую он проводил на станции экспериментальной эволюции Института Карнеги в Колд-Спрингс-Харбор, Лонг-Айленд, по экспериментальной эволюции. Где-то в 1906 году дрозофилу усыновил человек, ставший очень известным благодаря своей работе с мухами, Томас Хант Морган . Человек по имени Жак Леб также пытался экспериментировать с мутациями дрозофилы независимо от работы Моргана в течение первого десятилетия двадцатого века. [4]
Томас Хант Морган считается одним из самых влиятельных людей в экспериментальной биологии начала двадцатого века, и его работа с дрозофилами была обширной. Он был одним из первых в этой области, кто осознал потенциал картирования хромосом Drosophila melanogaster и всех известных мутантов. Позже он расширил свои выводы до сравнительного изучения других видов. Благодаря тщательному и кропотливому наблюдению он и другие «дрозофилисты» смогли контролировать мутации и скрещивать новые фенотипы. За многие годы подобной работы стандарты этих мух стали довольно единообразными и до сих пор используются в исследованиях. [5]
Микроорганизмы [ править ]
Насекомые были не единственными организмами, попавшими в лаборатории в качестве подопытных. Бактерии также были завезены, а с изобретением Эрнстом Руской в 1931 году электронного микроскопа родилась совершенно новая область микробиологии. [6] Это изобретение позволило микробиологам видеть объекты, которые были слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью любого светового микроскопа, и, таким образом, вирусы, которые годами озадачивали биологов многих областей, теперь оказались под пристальным вниманием ученых. [7] В 1932 году Уэнделл Стэнли начал прямую конкуренцию с Карлом Г. Винсоном за право первым полностью изолировать вирус табачной мозаики, вирус, который до этого незаметно убивал табачные растения по всей Англии. [8] Именно Стэнли первым выполнил эту задачу, изменив pH на более кислый. При этом он смог прийти к выводу, что вирус представляет собой либо белок, либо тесно связанный с ним, что принесло пользу экспериментальным исследованиям.
Существуют очень важные причины, по которым эти новые, гораздо меньшие организмы, такие как вирус табачной мозаики и кишечная палочка, проникли в лаборатории молекулярных биологов. Такие организмы, как дрозофила и триболиум, были слишком большими и слишком сложными для простых количественных экспериментов, которые хотели провести такие люди, как Уэнделл Стэнли. [9] До использования этих простых организмов молекулярному биологу приходилось работать со сравнительно сложными организмами.
Сегодня эти вирусы, в том числе бактериофаги, широко используются в генетике. Они имеют решающее значение, помогая исследователям производить ДНК внутри бактерий. Вирус табачной мозаики имеет ДНК, которая укладывается особым образом, что повлияло на разработку Уотсоном и Криком модели спиральной структуры ДНК. [10]
Бактериофаги ( вирусы , поражающие бактерии) изучаются с 1939 года как экспериментальные модельные организмы для понимания многочисленных фундаментальных биологических процессов на молекулярном уровне. Группа фагов , первоначально представлявшая собой неформальную сеть биологов, основанную на Максе Дельбрюке , внесла существенный вклад в генетику бактерий и зарождение молекулярной биологии в середине 20-го века. [11] Исследования бактериофагов привели к значительному пониманию многочисленных фундаментальных биологических проблем. Таким образом, было получено понимание функций и взаимодействий белков, участвующих в механизмах репликации ДНК , репарации и рекомбинации ДНК , а также того, как вирусы собираются из белковых компонентов и компонентов нуклеиновых кислот (молекулярный морфогенез ). Эксперименты с бактериофагом привели к выяснению роли терминирующих кодонов цепи , а также способствовали выдвижению гипотезы последовательности — концепции, согласно которой аминокислотная последовательность белка определяется нуклеотидной последовательностью гена, определяющего белок.
Мыши [ править ]
И сообщество насекомых, и вирусы стали хорошим началом истории модельных организмов, но в нее вовлечено еще больше игроков. На рубеже веков проводились многочисленные биомедицинские исследования с использованием тел животных и особенно млекопитающих для дальнейшего понимания биологами жизненных процессов. Примерно в это же время американские гуманные общества стали активно участвовать в защите прав животных и впервые начали получать общественную поддержку этого начинания. В то же время американская биология также переживала свои внутренние реформы. С 1900 по 1910 год тридцать медицинских школ были вынуждены закрыться. В это время беспорядков человек по имени Кларенс Кук Литтл благодаря череде удачно совмещенных событий стал исследователем в Гарвардской медицинской школе и работал над раком у мышей. Он начал создавать большие мутантные колонии мышей. Под руководством доктора Уильяма Касла Литтл помог расширить практику разведения животных в лаборатории Басси в Гарварде. Благодаря свободе действий Касла, которой было разрешено управлять лабораторией, и его финансовой поддержке со стороны университета, они смогли создать обширную программу по генетике млекопитающих. [12]
Мыши оказались практически идеальным решением для подопытных в генетических исследованиях млекопитающих. Тот факт, что их разводили «любители крыс» на протяжении сотен лет, позволил создать разнообразные популяции животных, в то время как общественность относилась к этим грызунам гораздо меньше симпатий, чем к собакам и кошкам. Благодаря социальному пособию Литтл смог взять на вооружение новые идеи о «чистых генетических штаммах», слившихся с генетикой растений, а также работать с дрозофилами и работать с ними. Идея инбридинга для достижения цели создания «чистой линии» мышей могла вызвать негативную реакцию на фертильность мышей, что привело к прекращению линии. Литтл достиг своей цели — получить генетически чистую линию мышей к 1911 году и вскоре после этого опубликовал свои открытия.Он продолжил свою работу с этими мышами и использовал свои исследования, чтобы продемонстрировать, что инбридинг является эффективным способом устранения изменчивости и служит сохранению уникальных генетических вариантов. Примерно в это же время проводилась большая работа с этими мышами, а также исследования рака и опухолей. [13]
На протяжении 1920-х годов продолжалась работа с этими мышами в качестве модельных организмов для исследований опухолей и генетики. Именно во время Великой депрессии эта область исследований понесла самый большой удар. В условиях упадка экономики лаборатории были вынуждены продавать множество своих мышей, чтобы не закрыться. Эта потребность в средствах практически остановила продолжение существования этих линий мышей. Переход этих лабораторий к экспортерам огромных количеств мышей был осуществлен довольно легко, если на местах имелись адекватные мощности для их производства. В конце концов, в середине 1930-х годов рынок вернулся, и генетические лаборатории по всей стране возобновили регулярное финансирование и, таким образом, продолжили исследования в тех областях, которые они начали до депрессии. По мере продолжения исследований росло и производство мышей в таких местах, как лаборатория Джексона. Подобные предприятия могли производить мышей для исследовательских центров по всему миру. Эти мыши были выведены с использованием менделевской методики разведения, которую Литтл внедрил в качестве стандартной практики примерно в 1911 году. Это означало, что мыши, на которых проводились эксперименты, были не только одинаковыми в лаборатории, но и в разных лабораториях по всему миру. [14]
Мышь оставалась важной по мере развития молекулярной генетики и геномики; секвенирование эталонного генома мыши было завершено в 2002 году. [15] В более широком смысле сравнительная геномика продвинула наше понимание и усилила важность модельных организмов, особенно с относительно небольшими и неповторяющимися геномами.
См. также [ править ]
- История испытаний на животных
- История исследований Arabidopsis thaliana
- История исследований Caenorhabditis elegans
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Рейдер, Изготовление мышей , с. 16
- ^ Дампьер, История науки
- ^ http://nobelprize.org/medicine/laureates/1933/morgan-bio.html Биография Т.Х. Моргана, получившая Нобелевскую премию, в которой упоминается предложение К.В. Вудворта об использовании дрозофилы.
- ^ Колер, Повелители мух
- ^ Аллен, Томас Хант Морган
- ^ Беллис, «История микроскопа».
- ^ Крегер, Жизнь вируса , с. 17
- ^ Крегер, Жизнь вируса , стр. 50–51.
- ^ Крегер, Жизнь вируса , стр. 194–195.
- ^ Уотсон, Двойная спираль , с. 124
- ^ Фаг и истоки молекулярной биологии (2007) Под редакцией Джона Кэрнса, Гюнтера С. Стента и Джеймса Д. Уотсона, Лаборатория количественной биологии Колд-Спринг-Харбор, Колд-Спринг-Харбор, Лонг-Айленд, Нью-Йорк ISBN 978-0-87969-800-3
- ^ Рейдер, Изготовление мышей , стр. 30–35.
- ^ Рейдер, Изготовление мышей
- ^ Рейдер, Изготовление мышей , стр. 190–195.
- ^ Рейдер, Изготовление мышей , с. 252
Источники [ править ]
- Аллен, Гарланд Э. Томас Хант Морган: Человек и его наука . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета, 1978.
- Крегер, Анджела Н.Х. Жизнь вируса: вирус табачной мозаики как экспериментальная модель, 1930–1965 . Чикаго: Чикаго Пресс, 2002.
- Дампьер, сэр Уильям. История науки . Нью-Йорк: Компания Macmillan, 1936.
- «История микроскопа». Мэри Беллис. О себе: Изобретатели . 27 ноября 2006 г. < [1] >.
- Колер, Роберт Э. Повелители мух. Чикаго: Издательство Чикагского университета, 1994.
- Письма по прикладной микробиологии. Библиотеки Йельского университета. 25 ноября 2006 г. дои : 10.1111/j.1472-765X.2006.02040.x .
- Исследования нуклеиновых кислот. 2006. Издательство Оксфордского университета: Oxford Journals. 20 ноября 2006 г. < [2] >.
- Рейдер, Карен. Создание мышей: стандартизация животных для американских биомедицинских исследований . Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета, 2004.
- «Наука в музее: исследования и открытия». Американский музей естественной истории: Наука. Американский музей естественной истории. 27 ноября 2006 г. < http://www.amnh.org/science/articles/science.php >.
- Уотсон, Джеймс Д. Двойная спираль . Кингспорт, Теннесси: Kingsport Press, 1968.
