אורגניזם מודל

החיידק E. coli

גרעיני תירס בצורות וצבעים שונים

פרחי התודרנית הלבנה

התולעת C. elegans

תסיסנית המחקר

עכבר מצוי

קביה

אורגניזם מודל (באנגלית: Model organism) הוא יצור חי, אשר נחקר באופן אינטנסיבי בביולוגיה או בפסיכולוגיה. למונח אורגניזם מודל אין משמעות מדעית רשמית, ומספרם של אורגניזמי המודל משתנה לעיתים; יצורים רבים שאינם ידועים כאורגניזמי מודל נחקרים לעיתים אף הם בצורה אינטנסיבית.

יש להבדיל בין מחקר באורגניזם מודל לבין מחקר על חיות בר או חיות חקלאיות שמנסה להבין את אורחות חייהן של חיות אלה ואינו משתמש בהן כמודל עבור אורגניזמים אחרים.

מאפיינים כלליים של אורגניזם מודל

לאורגניזמי המודל אוסף תכונות המקלות את המחקר בהם. חלק מהתכונות משותפות לכל אורגניזמי המודל: תפוצה רחבה וקלות השגה (ומכאן - צמצום עלויות), מחזור חיים מהיר יחסית ליצורים אחרים מאותה הממלכה, קלות טיפול ואחזקה במעבדה וממדים קטנים המאפשרים אחסון מדגם סטטיסטי גדול של פרטים במעבדה. תכונות ספציפיות מפורטות להלן.

להרבה אורגניזמי מודל יש גנום קטן יחסית, המקודד למספר קטן של גנים (יצוין כי אין קשר אמיץ בין גודל הגנום ומספר הגנים; מדובר בשני משתנים נפרדים). הדבר מקל על מעקב אחר מוטציות, למשל. קל יותר לעלות על עקבותיו של הגן האחראי לתכונה בלתי-שגרתית מסוימת בגנום הכולל 4,000 גנים, למשל, מאשר בגנום בעל 40,000 גנים.

האורגניזמים המפורסמים בשימושם כמודל

נגיפים

• הנגיף בקטריופאג' למדא

חיידקים

• החיידק Escherichia coli. המחקר המפורסם ביותר בחיידק החל עוד בשנות ה-40 של המאה ה-20, לפני זמנן של התגליות החשובות אשר ביססו את מדע הגנטיקה. E. coli שוכן דרך קבע במעי של יונקים (כולל בני אדם), כך שקל להשיגו. מיטוזה (חלוקת תא) מתרחשת ב-E. coli כל 20 דקות, כך שמחיידק בודד ניתן לגדל מושבה בת מיליוני חיידקים תוך שעות ספורות. קוטרו של תא ה-E. coli מגיע למיקרומטר אחד, כך שקל להבחין במבני התא תחת המיקרוסקופ. E. coli קל מאוד לגידול על גבי צלחת אגר או במבחנה המכילה אגר נוזלי. תכונות חיצוניות בולטות לעין קשה למצוא בְמיקרואורגניזם, אך אותן מחליפות תכונות כדוגמת רגישות לאנטיביוטיקה, יצור מטבולי של תרכובות והיכולת לנצל מקורות מזון שונים. מספר תכונות חיצוניות דווקא נראות לעין, ומעידות על הבדלים גנטיים: גודלן של מושבות החיידקים ומרקמן, למשל.

ב-E. coli קיימים פלסמידים; בנוסף, נגיפים מסוימים (בקטריופאג'ים) מסוגלים לפלוש לתאי E. coli. שתי תכונות אלו משמשות רבות בחקר שחלופים (DNA רקומביננטי), מוטציות ובקרת גנים, וכן בהנדסה גנטית. E. coli הוא האורגניזם הסטנדרטי ליצירת יצורים טרנסגניים, שבהם מושתל גן שמקורו ביצור אחר. הפלסמידים והפאג'ים של E. coli משמשים כווקטורים (נשאי גנים) בין האורגניזם תורם הגן והאורגניזם המקבל. מחקרים ב-E. coli הביאו לפענוח הקוד הגנטי, להבנת תהליך שכפול ה-DNA ולהבנת היווצרותן הספונטנית של מוטציות. זהו אחד משמונת האורגניזמים השמישים ביותר בחקר הגנטיקה בעשור הראשון של המאה ה-21.

• החיידק Bacillus subtilis הוא חיידק הגראם-החיובי הנחקר ביותר (E. coli הוא גראם-שלילי). מחקרים חשובים בחיידק זה נוגעים לאנטיביוטיקות מסוג בתא לקטם, כדוגמת פניצילין ואמוקסיצילין, אשר תוקפות את דופן התא של חיידקים גראם-חיוביים.

חד-תאיים איקריוטים

• הפטרייה החד תאית שמר האפייה (Saccharomyces cerevisiae). שמר האפייה מכונה "ה-E. coli של האאוקריוטים". הוא מהווה גשר בין העולם הפרוקריוטי והאיקריוטי, ובשל גודלו הקטן (קוטר תאיו מגיע ל-10 מיקרומטר) והיכולת לגדלו על גבי מצע אגר ניתן להתייחס אליו במעבדה במובנים רבים כאל חיידק. תאי שמר האפייה מתחלקים כל 90 דקות. שמר האפייה הוא היצור הידוע ביותר המבצע תסיסה כוהלית; לפיכך משמש השמר למחקרים מקיפים בנושא מטבוליזם. זהו אחד משמונת האורגניזמים השמישים ביותר בחקר הגנטיקה בעשור הראשון של המאה ה-21.
• הפטרייה החד תאית שמר הביקוע (Schizosaccharomyces pombe). השמר קרוי כך בשל דרך הרבייה הייחודית שלו, דבר המשמש במחקרים של ביולוגיה התפתחותית. קרבתו של שמר הביקוע לשמר האפייה, אשר נחקר בצורה כה אינטנסיבית, מאפשר מחקרים של ביולוגיה השוואתית בין שני המינים. בשנת 2001 זכו שלושה ביולוגים בפרס נובל לרפואה ופיזיולוגיה על מחקרם בנושא מחזור התא של שמר הביקוע.
• הפטרייה החד-תאית Neurospora crassa. לפטרייה, המופיעה כעובש כתום על פני לחם וצמחים (מתים בדרך כלל), יש מספר תכונות ייחודיות: קצב הגדילה הפיזית שלה מרשים - היא מתארכת בכ-10 סנטימטר ביום; ל-N. crassa יש מבני רבייה מיוחדים דמויי שק הקרויים נאדיות (Ascus ביחיד, Asca ברבים). כל נאדית מכילה את ארבעת תאי הבת הנוצרים במיוזה. דבר זה מהווה כלי מצוין למחקר בנושא מחזור התא ותורשה (באורגניזמים אחרים מתפזרים תוצרי המיוזה לכל עבר, דבר המקשה על מעקב). ב-N. crassa בוצעה הטרנספורמציה (שילוב גנים מאורגניזם אחר) הראשונה ביצור איקריוטי. ג'ורג' בידל ואדוארד טאטום Edward Tatum זכו בפרס נובל עבור גילוי הקשר שבין גנים וחלבונים, מחקר אשר בוצע בפטרייה זו. זהו אחד משמונת האורגניזמים השמישים ביותר בחקר הגנטיקה בעשור הראשון של המאה ה-21.
• תאים סרטניים ותרביות רקמה שמקורם באדם ומגודלים במבחנות וצלחות פטרי ומשמשים מודל לתאים ורקמות בריאים באדם. תרבית רקמה משמשת בעיקר בחקר פרמקולוגיה.

רב תאיים

צמחים

• הצמח תירס (Zea mays). התירס היה הצמח הראשון ששימש למחקרים גנטיים. בשנות ה-20 של המאה ה-20 הקים הביולוג האמריקני רולינס א. אמרסון (Rollins A. Emerson) מעבדה באוניברסיטת קורנל שבמדינת ניו יורק אשר יוחדה לחקר הגנטיקה של התירס. המעבדה משכה אליה גנטיקאים רבים, ביניהם ברברה מק'לינטוק (Barbara McClintock) וג'ורג' בידל (George Beadle), אשר זכו בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה (מק'לינטוק זכתה עבור מחקריה בתירס).

גרעיני התירס מהווים כלי יעיל ונגיש מאוד למחקר גנטי. צבעיהם השונים נגרמים כתוצאה מנדידה ספונטנית של מקטעי DNA - טרנספוזונים - בתוך הגנום. הללו התגלו לראשונה בתירס על ידי מק'לינטוק, ובמשך מספר שנים סברו החוקרים כי התירס הוא האורגניזם היחיד בו קיימים טרנספוזונים (כיום ידוע שהם קיימים כמעט בכל יצור). תכונה נוספת של תירס היא הכרומוזומים הגדולים שלו, אותם ניתן היה לראות באמצעות מיקרוסקופ פשוט, שנים לפני המצאת מיקרוסקופ האלקטרונים. זהו אחד משמונת האורגניזמים השמישים ביותר בחקר הגנטיקה בעשור הראשון של המאה ה-21.

• הצמח תודרנית לבנה (Arabidopsis thaliana). התודרנית הלבנה היא הצמח הנחקר ביותר בגנטיקה ובביולוגיה התפתחותית. מחזור החיים שלה וזמני הנביטה והצמיחה מהירים; ניתן בקלות להצליב בין זנים שונים של הצמח כדי לחקור דפוסי תורשה של גנים; זנים שונים של תודרנית נבדלים האחד מהשני באופן בולט לעין (גובה הצמח, גודל וצורת העלים, הטמפרטורה המיטבית לגידול). הגנום של התודרנית מתפרש על פני חמישה כרומוזומים וגודלו כ-125 מיליון זוגות נוקלאוטידים, מספר קטן ביחס לצמחים אחרים. זהו הגנום הצמחי הראשון שרוצף במלואו, בשנת 2000. מדענים מעריכים כי הגנום של התודרנית הלבנה מכיל כ-26,000 גנים, בדומה לגנום האדם. על אף שכאמור נחקר צמח זה שנים ארוכות, תפקידם של רוב הגנים הללו טרם נודע. זהו אחד משמונת האורגניזמים השמישים ביותר בחקר הגנטיקה בעשור הראשון של המאה ה-21.
• בצמח האפונה (Pisum savitum) נערכו מחקריו של גרגור מנדל, אבי הגנטיקה הקלאסית, והתגלו עקרונותיה הבסיסיים של התורשה - שנים רבות לפני שדוּבּר על גנים ו-DNA. אורגניזם זה הוא נדיר שימוש מעבדתי בעשור הראשון של המאה ה-21.

תולעים

• התולעת העגולה (נמטודה) Caenorhabditis elegans. המחקר בתולעת זו החל ב-1965; זהו היצור הרב-תאי הראשון שהגנום שלו רוצף במלואו, בשנת 1998. התולעת משמשת למחקרים בנושאים מגוונים, ביניהם ביולוגיה התפתחותית, נוירוביולוגיה (זהו מהיצורים הפשוטים ביותר שלהם יש מערכת עצבים), כימוטקסיס, אפופטוזה (ב-2002 זכו שלושה ביולוגים בפרס נובל לרפואה ופיזיולוגיה על עבודתם בנושא האפופטוזה ב-C. elegans) ו-RNAi (פרס נובל לרפואה ופיזיולוגיה ב-2006 הוענק למגלי תופעה זו, אשר התגלתה לראשונה ב-C. elegans). מספר התאים הקטן והקבוע של התולעת (959 בהרמאפרודיטים ו-1,031 בזכרים) והשקיפות של עורה (ניתן לצפות בכל שלבי התפתחות איבריה הפנימיים בעודה בחיים בעזרת מיקרוסקופ פשוט) מקל על מעקב אחר מוטציות וארגון תאים. זהו אחד משמונת האורגניזמים השמישים ביותר בחקר הגנטיקה בעשור הראשון של המאה ה-21.

פרוקי רגליים

• החרק תסיסנית המחקר (Drosophila melanogaster). לכמחצית מהגנים של זבוב זה המכונה "חיית המחמד של הגנטיקאים", יש גנים מקבילים בגנום האנושי. דפוסי ההורשה בזבוב זהים במובנים רבים לאלו שבבעלי חיים מפותחים יותר, ואין ספור תגליות בגנטיקה, במיוחד בנושא שחלופים, הושגו בעזרת תסיסנית המחקר. מחזור החיים שלו מהיר (12 ימים מהולדתו ועד להיותו זבוב בוגר) והוא קל מאוד להשגה (מתוקף משיכתו העזה לפירות מרקיבים). הכרומוזומים שלו גדולים ומחולקים לפסים בהירים ופסים כהים בהתאם לתוכן ה-DNA באזורים השונים. תכונות פנוטיפיות רבות, הנראות אף בעין בלתי-מזוינת, קיימות בתסיסנית המחקר: צבע העיניים, מספר הפסים בבטן הזבוב וגודל וצורת הכנפיים, למשל.

לאחר שנות הזוהר של הזבוב, בתחילת ובאמצע המאה ה-20, חלה דעיכה מסוימת במעמדו כאורגניזם מודל, אך כיום זוכה הזבוב לפריחה מחודשת ולמחקרים אינטנסיביים בנושא הגנטיקה של ההתפתחות. גני Hox (קיצור של Homeobox), אחת התגליות החשובות של הזמן האחרון, אחראיים במידה רבה לסידור הרקמות והאיברים ביצורים רב-תאיים; בתסיסנית המחקר נערך המחקר המקיף ביותר בנושא זה. זהו אחד משמונת האורגניזמים השמישים ביותר בחקר הגנטיקה בעשור הראשון של המאה ה-21

• המעבדות לחקר התנהגות דבורת הדבש (שם מדעי: Apis mellifera או Apis mellifica) משתמשות בדבורים לשלושה סוגי מחקרים: מחקר חקלאי, מחקרים (בעיקר על התפיסה החזותית של הדבורה) בהם היא משמשת כמודל לשאר החרקים ומחקרים בהם היא משמשת מודל הבודק את השערות תורת המשחקים האבולוציונית לשאלה: כיצד הייתה משתנה התנהגותם של יצורים חברתיים אחרים אילו דרך התורשה שלהם הייתה דומה לזו של הדבורים. על פי השערות אלה אנו רואים יותר אלטרואיזם אצל דבורים משום שהדמיון הגנטי בינן גבוה בהרבה מזה שבפרטים שבחברות אחרות.

• סרטנאים גדולים משמשים בניסויים רבים העוסקים בתכונות תא העצב הבודד ובקשר בין תאי עצב סמוכים, משום שתאי העצב שלהם גדולים במיוחד ונוחים להחדרת אלקטרודות. בניסויים אלה, תאי העצב של הסרטניים משמשים מודל לכל תאי העצב באשר הם.

חולייתנים

• דג זברה (שם מדעי: Danio rerio) הוא דג אקווריום נפוץ אשר מוצאו בנהרות היורדים מהרי ההימלאיה בהודו ובפקיסטן. דג הזברה הוא אורגניזם מודל חשוב במחקרים של התפתחות חולייתנים ותפקוד הגנים שלהם.
• תצפיות על להקות של עופות בר יכולות לאשש מודלים מתחום תורת המשחקים האבולוציונית (בעיקר לגבי אלטרואיזם ואגואיזם בין זרים) וניתן להשוות אותן לתצפיות דומות על בני אדם מתחום הפסיכולוגיה החברתית. תצפיות על הרגלי הקינון עונות לשאלות שעולות בשני תחומים אלה על יחסי המשפחה המונוגמית (יחסי אחים, הורים וילדים וההורים עצמם – בעיקר שאלות על ניאוף). קשה להצביע על עוף בר מסוים כשימושי יותר לתצפית מעופות אחרים.

יונקים

• היונק עכבר מצוי (Mus musculus). העכבר, חיית המעבדה הידועה ביותר, הוא אורגניזם המודל הקרוב ביותר לאדם. למרות השוני הפנוטיפי הניכר, הרי של-99% מהגנים של העכבר יש גנים מקבילים באדם, ואזורים שלמים בגנום העכבר זהים ברצפם לאזורים בגנום האדם. יחסית ליונקים אחרים קל העכבר להשגה ולגידול. בעכבר נערכים מחקרים מקיפים כמעט בכל נושא בביולוגיה וגם מרבית המחקרים בפסיכולוגיה המשתמשים באורגניזם מודל נעשים בהם. זהו אחד משמונת האורגניזמים השמישים ביותר בחקר הגנטיקה בעשור הראשון של המאה ה-21. עכבר שונה גנטית הנקרא עכבר עירום הוא עכבר מיוחד שמערכת החיסונית בו לא פעילה, הוא משמש בעיקר לחקר סרטן.
• היונק חולדה (הסוג Rattus) קרוב לאדם בהתנהגותו ובפיזיולוגיה שלו אף יותר מהעכבר, אך לא ניתן לבצע טרנספורמציה של גנים זרים אל חולדות באותה קלות בה מתבצע הדבר בעכבר. עובדה זו הביאה את החולדה למעמד של אורגניזם מודל משני, אם כי לאחרונה התרחשו התפתחויות דרסטיות ביכולת של גנטיקאים לייצר חולדות טרנסגניות.
• היונק קביה (הסוג Cavia; בעברית נקרא גם שרקן) שימש בתחילת המאה ה-20 למחקרים בנושאים שונים, ועל אף שמאז החליפו אותו העכבר והחולדה (כיוון שמחזור החיים שלהם מהיר בהרבה), משמש שמו האנגלי של הקביה (Guinea pig) עד היום בהשאלה לתיאור חיית ניסויים.
• היונק ארנבון מצוי (שם מדעי: Oryctolagus cuniculus). כיום הוא משמש בעיקר בניסויים הכוללים ניתוח הקשים לעריכה ולתצפית בעכברים בשל ממדיהם הקטנים. חיה זו מוכרת בכינויה העברי השגוי "שפן ניסיונות". כינוי זה שגוי משום שהארנבון אינו שפן, והשפן לא משמש כאורגנים מודל, שכן הוא אינו מותאם לחיי שבי.
• מקוק רזוס (שם מדעי: Macaca mulatta) בעל קרבה אנטומית ופיזיולוגית לאדם, הוא חיית מודל לניסויים בתחומי מחלות זיהומיות והכרה ובפיתוח חיסונים.
• כחיות מודל להבנת הפסיכולוגיה של השפה נעשה שימוש בשימפנזים (Pan) ובגורילות (Gorilla gorilla) שלמדו את שפת הסימנים או שהשתמשו בציוד תקשורת חליפית, בדולפינים שהשתמשו בציוד כזה ובתוכים מדברים. היה גם ניסיון להשוות תקשורת בחיות בר שונות, בסביבתן הטבעית לזו של האדם. חלק מהמחקרים האלה היה תצפיתי לחלוטין ובחלק הייתה התערבות ניסויית מסוימת בחיי חיות הבר.

ערך מורחב – ניסויים בלשניים בקופי אדם

• ראשוני החוקרים של הנוירולוגיה הניסויית בחרו בכלבים וחתולים כחיות מודל להבנת תהליכי החשיבה באדם. לדוגמה, ניסויי הכלב של פבלוב והחתול של ז'ובה בליון ניסויים אלה התפרסמו משום שהיו אבני דרך של המדע וכך הפכו את השימוש הנדיר בכלבים ובחתולים כחיות מודל למפורסם..

ראו גם

• ניסויים בבעלי חיים
• מעבדה על שבב
• חלופות לניסויים בבעלי חיים
• ניסויים בבני אדם
• גנוטוביוסיס

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא אורגניזם מודל בוויקישיתוף