Model Organizma Nedir? Yapılan Bilimsel Araştırmalarda Hangi Model Organizmalar Kullanılmaktadır?

Biyolojik süreçler, bir proteini oluşturan amino asitlerin DNA denen "tarif defteri" aracılığıyla birbirine tek tek bağlandığı ribozom makinelerinden tutun, büyük hayvan popülasyonlarında rekabet, iş birliği ve hatta fedakarlık davranışlarına kadar, uçsuz bucaksız olaylar ve süreçlerden oluşur. Biyologların ve diğer bilim insanlarının bu süreçleri anlamak için, en az bu süreçler kadar karmaşık deney mekanizmaları kurmaları gerekir.

Deneysel çalışmaların en kritik noktalarından biri, üzerinde çalışılacak organizmayı doğru seçmektir. Buna ek olarak hedeflenen organizma veya sistem her zaman çalışmaya uygun olmayabilir. Bu durumda hedef organizmadan daha basit ve özellikleri anlaşılmış organizmaları kullanmak araştırmanın başarısını arttırmakla beraber sürecin kolaylaşmasını sağlamaktadır. Gelişmiş biyoteknolojik cihazlara, sentetik deney ürünlerine ve diğer teknolojilerine ek olarak, bilim insanlarının yıllardır güvenilir dayanağı olan bir kaynak daha vardır: model organizmalar.

Model organizmalar, bilim dünyasında kabul görmüş, deneylerin yürütülmesi sırasında hem aracı hem de deneyin kendisinin bir parçası olarak kullanılan canlılardır. Model organizmalar, araştırmacıların daha basit organizmaları baz alarak kompleks sistemleri anlamasını sağlamaktadır.

Araştırmanın yapılacağı konu, model organizmanın seçiminde önemli bir kriter oluşturur. Farklı araştırma alanları için farklı model organizma kullanımı gereklidir. Model organizmaların seçiminde yer alan kriterler şu şekildedir:

• hızlı yaşam döngüsü (dolayısıyla kısa sürede büyük popülasyon oluşturabilme yetisi),
• genomunun basit ve küçük olması,
• ihtiyaç duydukları besin miktarının az olması,
• boyut olarak küçük ve yetiştirme koşullarının basit olması.

Bunlara ek olarak, mümkünse model organizmanın tüm genomunun dizilenmiş olması ise araştırmaların hız kazanması ve kolaylaşmasını sağlamaktadır. 

Bir bilim insanının yürüttüğü deneyde aradığı kriter ve sonuç olarak kullanacağı model organizma farklılık gösterebilir. Bu nedenle farklı deneylerde kullanılmaları ve farklı biyolojik süreçlere ışık tutmaları için bu zamana kadar birçok model organizma belirlenmiştir.

Genetiğin babası kabul edilen Gregor Mendel’in bezelye (Pisum sativum) üzerinde yaptığı kalıtım araştırmaları model organizma kullanımının en güzel örneklerinden biridir. Bezelye gibi hızlı üreyebilen ve çok tohum oluşturan bir bitkiye bakarak özellik aktarımının, dolayısı ile kalıtım mekanizmasının nasıl çalıştığı anlaşılmış ve diğer organizmalardaki mekanizmanın aydınlatılması sağlanmıştır. 20. yüzyılın başlarında ise Thomas Hunt Morgan, genlerin kromozomlar üzerinde yer aldığını meyve sineği (Drosophila melanogaster) üzerinde çalışarak göstermiş ve bezelyeden sonra yeni bir model organizmayı literatüre kazandırmıştır.

Model organizmaların sayısı gün geçtikçe artmaya devam etmektedir. Model organizmalara verilebilecek birkaç örnek ise şu şekildedir: yuvarlak solucan (Caenorhabditis elegans), bira mayası (Saccharomyces cerevisiae), koli basili (Escherichia coli), yeşil alg (Chlydomonas reinhardtii), Arabidopsis thaliana, Brachypodium distachyon, buğday (Triticum aestivum), zebra balığı (Danio rerio), fare (Mus musculus).

Yukarıda belirtilen canlılarda yapılan araştırmalar genellikle aynı sınıfta yer alan tüm türlerde geçerli sonuçlar vermektedir. Ancak unutulmamalıdır ki her organizma farklı bir canlılar ve ‘genellikle’ kalıbının dışında kalan türler olabilmektedir. Örneğin Brachypodium bitkisi monokotlar için kullanılmaktadır. Bu bitkide yapılan hücre duvarı çalışmaları monokot bitkilerin hücre duvarı hakkında bilgi vermektedir. Ancak yakın akraba olmalarına rağmen Brachypodium ve buğday bitkilerinin hücre duvarı yapıları birbirlerinden farklı ve türe spesifiktir.

Gelin bu canlıların bir kısmına biraz daha yakından bakalım.

Model Organizma Olarak Virüsler

Lambda Fajı

1951 yılında Esther Legerbergh tarafından Escherichia coli'nin bir suşunu enfekte eden bir virüs olarak keşfedildi ve biyolojik deneylerde 1950-1980 yılları arasında popülerlüğe sahipti, altın çağını ise 1970'lerin sonu 1980'lerin başında yaşadı. 1961 yılında Allan Campbell'ın bu faj üzerinde sus mutasyonları adı verilen mutasyonlar elde etmesi ile virüsün kullanımında bir dönüm noktası yaşandı çünkü bu mutasyonlar litik döngü denen, fajın bir süre sonra konak bakterinin parçalanmasına yol açtığı süreç inhibe edilmekteydi, bunun yerine lizojenik döngü denen, fajın DNA'sının uzun süre bakteri genomuna entegre kaldığı dönemin süresi uzamıştı. Bu sayede lambda fajı konak DNA'sının ve virüsün arasında nasıl bir etkileşim olduğunu ve gen kontrolllerinin nasıl yapıldığını bulmaya dair yapılan deneylerde kullanıldı.

SV40

Asıl adı polyoma simian virus 40 olan SV40, onkojenik DNA virüsüdür, zarfsızdır ve ikozahedral kapsit simetriye sahiptir. Laboratuvar hayvanlarında primer kemik ve beyin kanserine yol açar. Malignant mezoteliyoma ve lemfomadan sorumludur. SV40, 1960 yılında çocuk felci aşısınnda kontaminant olarak keşfedildi. 1950'lerin sonlarında ve 1960'ların başlarında dünya çapında yüz milyonlarca insan, rhesus makak böbrek hücrelerinde hazırlanan kontamine virüs aşıları uygulandıklarında istemeden bulaşıcı SV40'a maruz kaldılar. Virüs, ökaryotik DNA replikasyonunun ve transkripsiyonunun aydınlatılması için hücre deneylerinde kullanılmaktadır.

Tütün Mozaik Virüsü

Tütün mozaik virüsü, başta tütün ve domates olmak üzere bitkileri enfekte eden ve lezyonlara yol açan bir virüstür. Model organizma olarak kullanımı yaklaşık 100 yıl öncesine dayanır ve bir model organizmanın biyoloji ve virolojide yeni ve genellikle beklenmedik gelişmeleri nasıl ilerlettiğini göstermiştir. Tütün mozaik virüsü, tütündeki değerli farmasötik etkileri bulunan proteinleri incelemek için kullanılır. Ayrıca konak-patojen etkileşimlerinin aydınlatılmasına, hücre sinyalleşmesinin ve trafiğinin anlaşılmasında deneylere ışık tutar.

Wikipedia

Model Organizma Olarak Bakteriler

Escherichia coli (Koli Basili)

Escherichia coli, çubuk şekilli bir gram negatif bakteridir. Genellikle ikiye bölünme yoluyla eşeysiz olarak ürer. Belirli sınırlar içinde hem oksijensiz hem de oksijenli ortamda yaşayabilme anlamına gelen, fakültatif aerobik bir canlıdır. Ucuz besi yerinde hızlı ve kolay bir şekilde büyüyebilir. E. coli'nin moleküler genetik alanında birçok manipüle edilmiş suşu bulunur ve farklı deneylerin getirdiği farklı ihtiyaçlar için bir E. coli "kataloğu" oluşturulmuştur. Bunun yanında E. coli, plazmid denen, hücrenin asıl DNA'sından bağımsız ve ona nispeten daha küçük boyutlu halkasal DNA'lara sahiptir. Bu DNA'lar genelde antibiyotik direnç genlerini barındırır. Plazmidler bilim insanları tarafından sıklıkla tercih edilir çünkü manipülasyonları kolaydır. E. coli uzun süredir genetik kodun araştırılmasında, operon sistemlerinin anlaşılmasında, yeni rekombinant biyoteknolojik ürünlerin elde edilmesinde ve daha bir çok alanda kullanılmaktadır. Örneğin E. coli'nin bazı suları, metabolik mühendislik yoluyla geliştirilmiştir ve ortamlardaki zararlı metabolitlerin elimine edilmesinde kullanılmaktadır

Bacillus subtilis (Saman Basili)

Bacillus subtilis, şu ana kadar en çok çalışılmış gram pozitif bakteri türüdür. Besi yerinde hızlı ve kolay bir şekilde üreyebilir. Endüstriyel biyoteknoloji çalışmaları için çok değerlidir; B. subtilis rekombinasyon teknolojileri ile bol miktarda protein salgılayabilir ve bu şekilde bir "üretim makinesi" gibi davranır. Bitki büyümesinde de etkilidir. B. subtilis, bakteri kolonisini bir arada tutan ve bir yüzeye yapışmasını sağlayan madde anlamına gelen biyofilm üretir ve bilim insanlarının bakterilerde biyofilm oluşumunu araştırmasında yardımcı olmuştur. B. subtilis ayrıca endospor oluşturur, bu sayede hücregelişimi, hücre kaderinin belirlenmesi ve morfogenez gibi konularda çalışılmıştır.

Mycoplasma genitalium

Mycoplasma Genitalium, cinsel yolla bulaşan, patojenik, insan genital ve idrar yollarında yaşayan bir parazit bakteridir. Parazit bakterilerde genel bir özellik, genomlarının ve hücre boyutlarının çok küçük olmasıdır. M. genitalium da 580 kb genom boyutu ve ürettiği yaklaşık 480 proteinle en küçük canlılardan biridir. M. genitalium "minimal" bakterilerin, yani diğer bakterilerle karşılaştırıldığında çok az protein üreterek hayatta kalan bakterilerin araştırılmasında yol gösterici olmuştur. Ayrıca genomunun, 2007yılında Craig Venter ve ekibi tarafından tamamen hücreden bağımsız bir şekilde sentezlenmesi, "sentetik genom" kavramının doğmasını sağlamıştır.

Medical Lobarotary Observer

Model Organizma Olarak Protistler

Chlamydomonas reinhardtii

Chlamydomonas Reinhardtii, tek hücreli, iki kamçılı, nemli topraklarda yaşayan fotosentetik bir algdir. Model organizma olarak fotosentetik süreçlerinde, ışığın algılanması ve ışığın etkisinde hücresel yapıların yerlerinin belirlenmesinde rol almaktadır ve "alg biyoteknolojisi" konusunun baş kahramanıdır. C. reinhardtii'nin kamçısı, memeliler de dahil olmak üzere çoğu ökaryotik hücrede homologtur, fonksiyonunun ve biyogenezinin çalışılması, insanlarda polisistik böbrek hastalığı gibi sil disfonksiyonu kaynaklı hastalıkların anlaşılmasına yardımcı olmuştur. C. reinhardtii eşeysiz olarak 8 saatte bir bölünebilir ve vejetatif formu haploittir. Haploit form mutasyonların anlaşılmasında daha etkilidir. Bunun yanında C. reinhardtii, laboratuvar ortamında muamele edilerek eşeyli üreyebilir.

Protist İnformation Server

Dictyostelium discodieum

Dictyostelium discodieum, hücresel bir balçık küfüdür ve alışılmadık bir hücre döngüsüne sahiptir; tek hücreli olarak birbirinden bağımsız, ayrı ameoblar olarak bulunurlar ve sonrasında, bir yüzeyde bulunan hücrelerin bir araya gelmesiyle çok hücreli, daha kompleks bir yapıyı oluştururlar. Bu karmaşık dönü bilim insanlarına, evrimsel süreçte çok hücreliliğin nasıl gerçekleştiğini anlamada yol göstermiştir. D. discodieum ayrıca gelişimsel ve morfolojik süreçlerde, omurgasızlarda hücre göçünün anlaşılmasında ve kemotaksiste çalışılmıştır.

Model Organizma Olarak Mantarlar

Saccharomyces cerevisiae (Bira Mayası)

Saccharomyces cerevisiae, bir tür maya mantarıdır ve genelde tomurcuklanma yoluyla eşeysiz olarak ürer. Laboratuvar ortamında ucuz besi yerinde kolay ve hızlı bir şekilde büyütülebilir. S. cerevisiae, genomu sekanslanmış olan ilk ökaryottur, ve hücre bölünmesinin motifi tüm ökaryotlarda benzer olduğundan, bölünme ve kanser gibi konularda bilim insanları tarafından model organizma olarak kullanılmaktadır. Kolay ulaşılabilirliği sayesinde S. cerevisiae, kullanılan en eski "klasik" model organizmalardandır. Yiyecek endüstrisinin ve biyoteknolojinin yanında insanlar dahil ökaryotik hayatın aydınlatılmasında ve ilaç tedavilerinin geliştirilmesinde kullanılır.

Wikipedia

Neurospora crassa (Ekmek Küfü)

Neurospora crassa, filament şekilli haploit, tek hücreli mantar türüdür ve adını, "sinir" benzeri hücresel yapısından alır. Değişik mutasyonlara maruz bırakılmış birçok suşu, genetik süreçlerin ve biyokimyasal metabolik yolakların aydınlatılmasına yıllarca ışık tutmuştur, ve tutmaktadır. Ayrıca sirkadiyen ritimler ve biyolojik saat gibi kavramların çalışılmasında model organizma olarak kullanılmaktadır.

Model Organizma Olarak Bitkiler

Arabidopsis thaliana (Fare Kulağı Teresi)

Arabidopsis Thaliana, hardalgiller familyasına mensup, dikotil küçük bir çiçekli bitkidir. 40 yıldan fazla süredir çiçekli bitkilerin fizyolojisinin, gelişiminin ve genetiğinin aydınlatılmasında kullanılmaktadır. Lahana, brokoli ve kanola ile aynı familyanın üyesi olmasına rağmen, A. thaliana'nın ekonomik açıdan çok değeri yoktur, bunun yerine yiyecek olarak tüketilen bitkilerin geliştirilmesi üzerine oluşturulmuş hipotezleri test etmede kullanılır. Bunu ise küçük genomu, çok az besinle hızlı bir şekilde üretilebiliniyor olması ve hayat döngüsünü kısa sürede tamamlıyor olması sağlar.

Selaginella moellendorffii

Selaginella Moellendorffii, likofit bir bitkidir, nispeten küçük bir genoma sahiptir ve fosil kayıtlarında ilk kez yaklaşık 400 milyon yıl önce ortaya çıkan eski bir vasküler bitki soyunun bir üyesidir. Diğer likofitler gibi gerçek kök ve yapraklara sahip değildir ve bu durum da onun evrimsel süreçte önemli bir noktada olduğunu gösterir; öyle ki S. moellendorffii, damarlı bitkilerin evriminin anlaşılmasında yol gösterici bir model organizmadır.

Zea mays (Mısır)

Zea mays, bilinen adı ile mısır, insanlar tarafından evcilleştirilen ve tahıl olarak kullanılan ilk bitkilerdendir. Agronomik öneminin yanında birçok biyolojik sürecin anlaşılmasında model organizma olarak görev almıştır. Z. mays'ın çok geniş bir mutant stok koleksiyonu yapılmıştır. Z. mays üzerinde kapsamlı nükelotid mutasyonları ve heterokromozomlar gibi özellikler açığa çıkarılmıştır ve bunlar sayesinde genomik araştırmalar, bitki evcilleştirilmesinin anlaşılması, bitki evrimi, gelişim fizyolojisi, epigenetik, haşere direnci, kantitatif kalıtım ve karşılaştırmalı genomik alanlarında çalışmalar yapılmıştır ve hala yapılmaktadır.

Biocompare

Model Organizma Olarak Omurgasızlar

Arbacia punctulata (Deniz Kestanesi)

Arbacia Punctulata, denizlerde yaşayan dikenli deniz kestanesidir, 8 santimetre çapa kadar büyüyebilir ve toksiktir. Transparan olan yumurta hücresi sayesinde gelişimini incelemek kolaydır be bu sayede yılardır omurgasız gelişim biyolojisi çalışmalarına ışık tutmuştur. Yumurta hücresi kolayca fertilize edilebilir ve hızlı bir şekilde embriyo oluşumu sağlanır. Sperm yapısının ve işlevlerinin aydınlatılmasında da kullanılmıştır. Ayrıca "kalıtımın kromozomal teorisi"ni ispatlamak için kullanılmıştır. Sentrozom, partenogenez ve fertilizasyon gibi kavramlar, A. punctulata ile yapılan çalışmalar sonucu açığa çıkmıştır. A. punctulata, mitoz araçlarının izolasyonunda ve mikrotübüller yapılarda da hücre biyologlarına yol göstermiştir. Ayrıca aktinin izole edildiği ilk kas hücresi hariç hücre A. punctulata'dan gelmiştir.

Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans bir nematod solucanıdır ve 959 adet olmak üzere kesin bir somatik hücre sayısına sahiptir. Küçük olmasının yanında çok organize bir gelişim süreci geçirir ve sinir, sindirim ve üreme sistemlerinin düzenlenişi bakımından insanlara benzerdir. Bu nedenle bu sistemlerin çalışılmasında bir "minyatür" olarak görev alır. C. elegans iki erkek ya da hermafrodit olarak iki cinsiyete ayrılır ve hermafroditler hem erkeklerle çiftleşebilir hem de kendi kendilerini dölleyebilirler. Bu durum da hermafrodit C. elegans'ın daha hızlı üremesini sağlar. Bilim insanları hızlı üremesi ve gonat kaynaklı mutasyonların daha iyi incelenmesini sağlaması nedeniyle hermafrodit C. elegans'ı tercih ederler. C. elegans ayrıca mitokondriyel hastalıkla ilişkili genler açısından insanlarla ortologtur ve bu nedenle bu hastalıkların çalışılması için model organizma olarak kullanılır.

Daphnia spp. (Su Piresi)

Daphnia, denizcil bir mikrokabukludur. Partenogenez yoluyla çoğalır ve cinsiyeti çevresel faktörlerin etkisinde, epigenetik olarak gerçekleşir. Değişik çevresel faktörlere karşı DNA metilasyonunda da farklı motifler açığa çıkar. Bu nedenle epigenetik çalışmalar için bir model organizma olarak tercih edilir. Genetik alanının yanında Daphnia, aekolojik olarak da önemlidir çünkü deniz kirliliği sonucu artan toksik madde ve ağır metallerin belirlenmesini sağlar ve deniz tuzluluğu ve pH'ı gibi faktörlere duyarlıdır.

Planktovie

Drosophila melanogaster (Sirke Sineği)

Drosophila Melanogaster, 20. yy'ın başlarında Thomas Morgan tarafından "kromozomal linkajın" keşfinde rol almısştır ve uzun bir süre boyunca genetik çalışmalarında kullanılmıştır. D. melanogaster'in hayat döngüsü yumurta, larva, pupa ve erişkin sinek olarak sıralanır ve çok kısa bir döngüdür. Ayrıca yalnızca 4 kromozoma sahiptir ve genetik olarak manipüle edilmesi kolaydır. Genlerinin yaklaşık %60'ı insanlarla homologtur bu nedenle insan davranışı, gelişimi ve hastalıkları konusunda model oragnizma olarak kullanılır. Bunların yanında D. melanogaster, gelişim biyolojisinde çalışmalarda en çok tercih edilen omurgasızdır.

Model Organizma Olarak Omurgalılar

Ambystoma mexicanum (Axolotl)

Ambystoma mexicanum bir tür semenderdir ve yaşam döngüsünün çoğunu suda geçirir. Diğer semenderlerin aksine yılda birkaç kez üreyebilir ve yumurta bırakabilir. Ayrıca yumurtaları bir kurbağa yumurtasından daha büyüktür ve şeffaftır. Bu nedenle omurgalı embriyonik gelişiminin incelenmesi ve çeşitli manipülasyonlarla çalışılması konusunda model organizma olarak kullanılır. A. mexicanum ayrıca, larval özelliklerin yetişkinlik döneminde de korunması anlamına gelen paedomorfizmin en güzel örneklerindendir. A. mexicanum yüksek derecede rejenerasyon yeteneğine sahiptir. Bu nedenle doku yenilenmeleri ve yaşlanma alanlarında bilim insanlarına yol gösterir.

Danio rerio (Zebra Balığı)

Danio rerio, tropikal bir balıktır ve yaklaşık 2,5-4 cm vücut boyutuna sahiptir. Tek seferde çok sayıda yumurta üretir ve embriyolojik dokuların neredeyse tamamı transparandır. Bu nedenlerle embriyoloji alanında model organizma olarak tercih edilir. Bunun yanında kolay çalışılabilir bir omurgalı hayvandır ve genlerinin %70'i insanlarla homologtur. İnsan hastalıklarıyla ilgili genlerin ise %84'lük bir oranda D. rerio'da karşılığı vardır. Başta muskular distrofi ve çeşitli kanserler olmak üzere birçok hastalık D. rerio'da çalışılmıştır.

Wikipedia

Columba livia (Kaya Güvercini)

Columba livia, halk arasında bilinen ismiyle kara güvercini, gelişmiş görme sistemine, koordineli davranışlara ve diğer kuşların aksine laboratuvar ortamında "dost canlısı" bir özelliğe sahiptir. Kuşlarda beyin yarıkürelerindeki asimetrinin anlaşılması için iyi bir model organizmadır ve bu durum memeli beyin yapısının da anlaşılmasına ışık tutar. Ayrıca C. livia, bilişsel nöroloji ve hayvan davranışı alanında sıkça kullanılan bir model organizmadır. Bunların yanında biyolojik saat ve sirkadiyen ritimler gibi durumlar için de bilim insanlarına yol gösterir.

Mus musculus (Ev Faresi)

Mus musculus, br tür faredir ve memeliler arasında en çok tercih edilen model organizmadır, diğer memelilerin aksine kısa bir jenerasyon süresine sahiptir. Belirgin, kolay ayırt edilebilen fenotipik özelliklere sahiptir. M. musculus; memeli metabolizması, gelişimi ve nörodejeneratif hastalıkları başta olmak üzere bir çok alanda kullanılmıştır. İmmünoloji, kanser çeşitleri, kısırlık, adaptif evrim ve Mendel dışı kalıtım süreçlerinin anlaşılması gibi çok geniş bir alana yayılan çalışmalarda en çok başvurulan model organizmadır.

Yukarıda listelendiği gibi model organizmaların bir kısmını oluşturan ve bilim dünyasındaki popülerlikleri sayesinde, aslında isimlerini sık duyduğumuz canlıların özelliklerini incelemekte, biyolojik süreçlerin aydınlatılması için deneylerin nasıl yürütüldüğünü anlama ve canlı hayatına olan bakış açımızı geliştirme açısından fayda vardır.

Sonuç

Sonuç olarak; model organizmalar bütün araştırma sürecini kolaylaştırıp kısalttığından ötürü sıkça kullanılmaktadır ama her zaman istisnalar vardır ve bu durumda spesifik çalışmalar için araştırılan türün direk olarak kendisini kullanmak daha doğru sonuçlar elde edilmesini sağlamaktadır.