생물 학자들은 새로운 모델 유기체를 찾고 있습니다

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19 세기 후반에 학생이었던 이래로 컬럼비아 대학교 동물 학자 토마스 헌트 모건 (Thomas Hunt Morgan)은 매사추세츠 주 우즈 홀 (Woods Hole)의 해변 마을에서 여름을 보내기 위해 도시 열기를 피할 것입니다. 해양 생물학적 실험실은 그곳에서 탐험 할 수있는 생물학적 다양성을 제공했습니다. Morgan은 Hermit Crabs의 재생, 성게의 세포 분열, 개구리의 배아 발달 및 진딧물의 성 결정을 조사했습니다. 그는 현대 생물 학자들에 대해 들리지 않은 현기증이없는 민첩성을 가진 동물에서 동물로 이사했으며, 각각의 기본 생물학에 대한 주요 통찰력을 밝혀 냈습니다.

그런 다음 1900 년대 초, Morgan은 Charles Darwin의 일부 이론을 테스트 할 유기체를 찾고있었습니다. 그는 실험실에서 일어나기 쉬운 곤충에 대해 들었고 몇 주마다 수백 개의 자손을 생산했습니다. 이 곤충 - 과일 파리 - 일자리에 적합한 동물처럼 들렸습니다.

그랬어요. Morgan은 과일 파리를 사용하여 염색체가 상속의 기초임을 보여주었습니다.

모건은 20 세기의 가장 존경받는 생물 학자 중 한 사람이되었지만 그의 과학적 명성은 그의 주제와 결코 경쟁하지 않을 것이며, 이는 생물학적 연구와 거의 동의어가되었습니다. 파리, Drosophila melanogaster , 모델 유기체 인 생물학의 내부 작업을 연구하기 위해 테스트 시스템으로 변형되었습니다. 과학자들은 인간 건강에 적용되는 문제를 포함하여 생물학을보다 광범위하게 이해하려는 목표로 모델 유기체를 연구합니다.

모건이 파리를 번식시키기 시작한 지 수십 년 동안 모델 유기체 접근은 꽃이 피었습니다. 오늘날 생물학적 연구에 대한 사자의 비율은 선별 된 종의 종 - 과일 파리, 원형 웜에 중점을두고 있습니다. 엘레 간스 , zebrafish, 생쥐 및 기타. 이 동물들은 실험실에서 자라기 쉽고 연구원들은 게놈을 분석하고 변형하기위한 도구의 무기고를 개발했습니다. 동물들은 기본 생물학과 질병에 대한 우리의 이해에 막대한 영향을 미쳤으며, 과학자들은 수십 개의 노벨상을 얻습니다.

그러나 일부 과학자들은 과학자들이 유기체의 유기체를 연구했을 때 생물학이 모건의 사전 날을 맛볼 필요가 있다고 주장합니다. 그들은 지구상에서 약 9 백만 종의 약 7 마리의 동물에 초점을 맞추면 우리는 흥미로운 생물학의 큰 덩어리를 놓치고 있다고 주장합니다. 미주리 주 캔자스 시티에있는 Stowers Institute for Medical Research의 생물 학자 인 Alejandro Sánchez Alvarado는“우리는 르네상스에 예정되어 있습니다. "우리는 통계적으로 지구상의 생물학적 활동의 영역을 포괄 할 가능성이 거의없는 소수의 유기체에 대한 초점을 좁혔습니다."

6 월에 산체스 알바라도 (Sánchez Alvarado)와 몇몇 다른 과학자들은 새로운 모델 종의 개발에 대해 논의하기 위해 Woods Hole의 해양 생물학 연구소에서 전문가 패널을 소집했습니다. 연구원들은 자연의 다양성과 특정 종에 초점을 맞추지 못하는 풍부한 도구와 지식을 모두 활용하여 두 세계의 최고를 결합하기를 원합니다. MBL의 연구 책임자 인 Jonathan Gitlin은“대부분의 생물학적 세계는 탐구되지 않고 알려지지 않은 곳에 있습니다. “우리가 아는 대부분의 유기체에서 나온 것이라면 700 명을 가지고 있는지 우리가 알 수 있을지 상상해보십시오.”

모델 제작

오징어 doryteuthis pealeii 집 고양이보다 작지만 일반적인 인간 버전보다 수백 배 더 큰 신경 섬유를 보유하고 있습니다. 1940 년대와 50 년대에 오징어는 Woods Hole의 신경 과학자들 사이에서 가장 좋아하는 것이 었습니다. 왜냐하면 그들은 거대한 섬유에 전극을 붙이고 그를 따라 전파 된 전기 활동을 측정 할 수 있기 때문입니다. 전례없는 접근은 신경 세포 통신의 기초를 드러내고 1963 년에 발견 자에게 노벨상을 수상했습니다.

“우즈 홀 오징어”는 알려진 바와 같이 당시 생물 학자들의 접근을 구현했다. MBL의 생물 학자 인 Joshua Rosenthal은“1970 년대와 80 년대까지 사람들은 유기체를 선택했습니다.

이 분야는 1980 년대에 소수의 종에 닫히기 시작했으며, 새로운 유전자 도구의 출현으로 부분적으로 주도했습니다. 이 도구는 힘들고 비싸기 때문에 연구원들은 몇 종에서 일하는 데 집중했습니다. 모건과 마찬가지로, 그들은 번식하기 쉽고 벌레와 생쥐와 같이 비교적 짧은 시간을 보냈던 유기체를 선택했습니다. 그것은 과학자들이 유기체의 게놈을 땜질 한 다음 후속 세대가 노동의 과일을 볼 때까지 기다려야하는 유전학 실험에 특히 중요합니다.

세인트 루이스의 워싱턴 대학의 역사가 인 Garland Allen은“많은 유기체는 실험실에서 성장하고 번식하기가 어렵 기 때문에 누군가가 편리한 특성을 가진 사람을 생각해 내면 매우 빨리 픽업 할 책임이 있습니다.

점점 더 많은 과학자들이 특정 유기체를 연구함에 따라, 그들은 그 종에 특정한 도구를 발명하여 생물학에 대한 더 깊은 이해를 제공했습니다. 그로 인해 이전 세대의 기술과 결과를 기반으로 한 더 많은 과학자들이 긍정적 인 피드백 루프를 불러 일으켰습니다. 가장 일반적으로 연구되는 유기체는 게놈을 시퀀싱 한 최초의 유기체 중 하나였으며, 과학자들이 함께 일 해야하는 분자 도구의 무기고를 더욱 향상 시켰습니다. Rosenthal은“연구는 소수의 유기체로 퍼졌습니다. "그 종 목록은 현재 수십 년 동안 모든 것을 지배했습니다."

아이러니하게도, 게놈 시퀀싱은 몇 가지 주요 기술 발전 중 하나입니다. 게놈 시퀀싱 비용이 급격히 떨어 졌기 때문에 거의 모든 종의 DNA를 쉽게 해독하기가 쉽습니다. Rosenthal은“우리는 기본적으로 원하는 유기체에 대한 게놈을 생성 할 수 있습니다.

더 중요한 것은 CRISPR과 같은 DNA를 편집하는 새로운 기술은 유전자 조작 할 수있는 종의 수를 극적으로 확장한다는 것입니다. 그것은 과학자들이 일련의 유기체에서 유전자를 땜질 할 수 있음을 의미하며, 재생 또는 위장 또는 기억에 중요한 것을 알아 냈습니다.

Sánchez Alvarado는“이 도구가 없었기 때문에 20 년 전 파이프 꿈이었을 것입니다. "그러나 그것은 지난 5 년 동안 바뀌 었습니다. 갑자기 우리는 이전보다 훨씬 더 어둠을 들여다 볼 수 있습니다."

실제로 CRISPR은 생물학의 외부 도달 범위를 탐색 할 수있는 잠재적 이점을 강조합니다. 세기의 가장 중요한 생물학적 발견 중 하나로 환영받은 유전자 편집 기술은 미생물의 면역 체계를 연구하는 과학자들에 의해 밝혀졌습니다. Sánchez Alvarado는“생물학의 역류에 특징이있는 것이 생물학의 메커니즘을 이해하기위한 놀라운 도구로 제시 할 것이라고 생각할 것입니다.

더 넓은 접근법은 또한 벌레, 파리 및 생쥐로 덮인 생물학적 격차를 메우는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 이러한 유기체 중 어느 것도 신체 부위를 재생할 수는 없으며, 특히 오래 지속되는 두 가지 특성도 인간 건강에 큰 관심을 가질 수 없습니다.

그러나 바다에는 복잡한 재건이 가능한 생물이 흩어져 있습니다. 담수 플랫 웜을 자르십시오 작은 부분으로, 그 부분은 완전한 개인을 재생할 수 있습니다. 스폰지는 유사하게 단편이나 단일 세포로부터 재생 될 수있다. 그들은 눈에 띄는 세포 유연성을 가지고 있습니다. 심지어 성인 세포조차도 어떤 종류의 세포로도 발달 할 수 있습니다. 그리고 그들은 엄청나게 오래 살 수 있습니다. 5 월, 과학자들은 하와이 해안에서 사는 미니 밴 크기의 2,000 년 된 스폰지를 발견했습니다.

스폰지와 달리, 우리 자신의 세포는 특정 정체성을 얻으면 대부분 고착되어 심장, 뇌 및 기타 조직의 손상을 복구하는 능력을 제한합니다. 그러나 우리는 동일한 유전자를 스폰지와 평온한 벌과 공유하므로 재생력을 해독하면 새로운 치유에 대한 새로운 접근 방식을 고무시킬 수 있습니다. Sánchez Alvarado는“줄기 세포 조절과 조직 복구에 대한 우리의 이해에 환상적인 혜택이 될 것입니다. "우리가 공부하는 모든 것이 우리 자신과 우리가 살고있는 생태계에 대한 우리의 이해에 중대한 영향을 미칠 가능성이 높습니다."

Inky 's Great Escape

Carrie Albertin이 박사 과정을위한 실험실을 선택할 때 시카고 대학교의 한 교수는 그녀를 낙지 탱크를 보러 데려갔습니다. 핑키 네일 크기의 고독한 알은 240 갤런 탱크에 튀어 나왔습니다. Albertin은“5 분 안에 부화하고, 우리를보고, 색상을 바꾸고, 잉크를 썼고, 수영했다”고 Albertin은 말했다. “나는 팔렸다.”

Albertin은 혼자가 아닙니다. 많은 생물 학자들은 낙지, 오징어 및 오징어를 포함하는 두족류에 매료됩니다. 예를 들어 낙지와 오징어는 놀라운 재생의 힘을 가지고 있습니다. 어떤 경우에는 새로운 촉수를 처음부터 재배 할 수 있습니다. 그들은 LED와 같은 피부에 의해 달성되는 정교한 의사 소통과 변장 수단을 가지고 있습니다. 그리고 그들이 파리 나 벌레와 같은 무척추 동물이라는 사실에도 불구하고, 우리 자신과 매우 다른 신경계가있는 신경계는 놀랍도록 복잡한 행동을 할 수 있습니다. YouTube는 항아리를 열 수있는 낙지에서 코코넛 껍질 주위를 가지고 다니는 항아리에 이르기까지 포식자로부터 피난처로 가득 차 있습니다. 뉴질랜드 수족관에서 Inky라는 이름의 문어는 4 월에 전차의 꼭대기에서 작은 틈새를 뚫고 바닥을 가로 질러 사기를 당했으며 164 피트 길이의 배수관을 바다로 미끄러 뜨린 후 4 월에 글로벌 헤드 라인을 만들었습니다.

무척추 동물 중 가장 큰 두족류 뇌는 여전히 과학자들에게 미스터리입니다. 그러나 그들은 그것이 우리 자신과는 크게 다르게 조직되어 있다는 것을 알고 있습니다. 중추 신경계 외에도 문어에는 분산 된 지능 시스템이 있으며, 많은 뉴런이 8 개의 팔 각각에 배분됩니다. 실제로, 일부 종의 문어는 포식자에 의해 공격을받을 때 팔을 제거 할 수 있으며, 동물이 탈출하는 동안 분리되었지만 활성 사지가 포식자와 싸우도록합니다. Rosenthal은“그들은 완전히 다른 길을 통해 복잡성을 발전 시켰기 때문에 흥미 롭습니다.

낙지 모델 종의 최고 후보 중 하나는 캘리포니아 2 스팟 낙지이며, 최초의 두족은 게놈을 시퀀싱했습니다. 지난 여름에 출판 된 게놈은 30 억에 비해 27 억 개의 기지만큼이나 크며 우리보다 더 많은 유전자가 있습니다. 약 33,000, 인간의 20,000 ~ 25,000에 비해

게놈은 복잡한 행동을 주도 할 수있는 분자 혁신을 암시합니다. 게놈 연구의 가장 놀라운 발견 중 하나는 프로토 카데 린 (protocadherins)이라는 대량 단백질 패밀리로, 다른 뉴런이 어떻게 연결되는지 결정하는 데 도움이됩니다. 낙지를 시퀀싱하기 전에 과학자들은 척추 동물만이 많은 수의 단백질을 가지고 있다고 생각했습니다. 그러나 문어에는 168 개의 다른 종류의 프로토 카데 린이 있습니다.

시카고 대학교 (University of Chicago)의 신경 생물학자인 Cliff Ragsdale은 시퀀싱 프로젝트 (그리고 Carrie Albertin을 Octopus Tanks로 처음 데려온 사람)를 이끌고 Octopus Neurocutry를보기 시작했다고 말했다. 그들은 다양한 프로토 카데 린스가 더 다양한 뉴런 연결 세트를 가능하게한다고 의심합니다. Rosenthal은“Protocadherins는 신경 세포를 연결하는 방법에 대한 코드를 만듭니다. 코드에 요소가 많을수록 코드가 더 복잡해집니다. 그러나 아무도 아직 이것을 가설 중심의 방식으로 테스트 할 수 없었습니다.

두 스팟 낙지가 모델 종말 상태에 도달하면 Ragsdale과 다른 사람들은 이러한 질문을 해결하기 위해 더 큰 분자 도구를 갖게됩니다. 그런 다음보다 통제 된 실험을 시작하여 특정 프로토 헤르 린에 대한 유전자를 제거하고 신경 회로에 어떤 일이 발생하는지 분석 할 수 있습니다.

팔 문어 상승

Sánchez Alvarado, Rosenthal 및 Gitlin이 모델 유기체 워크숍을 계획 할 때 담수 평면에서 갑각류, 오징어 및 산호에 이르기까지 다양한 종을 연구하는 과학자들을 초대했습니다. 개별 연구원들은 애완 동물 유기체의 이점과 새로운 생물학적 비밀을 드러 낼 수있는 방법을 선전했습니다. 산호는 우리가 지구 온난화의 바다에 미치는 영향을 추적하는 데 도움이 될 수 있습니다. 오징어는 숙주와 상주 미생물 사이의 긴밀한 관계에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 다양한 신체 계획을 가지고있는 갑각류는 사지가 어떻게 발달하는지를 밝힐 수 있습니다. Sánchez Alvarado는“전통적인 모델을 고수 할 필요가없는 척하자. “우리는 생물학적 속성을 위해 유기체를 다시 사용하기 시작할 수 있습니다. 우리가 묻고 싶은 큰 질문은 무엇입니까? 그 질문에 답하기 위해 어떤 유기체를 사용할 수 있습니까?”

이러한 유기체 중 일부는 이미 파리, 마우스 및 벌레에 중점을 둔 수백 또는 수천 개의 실험실이 아닌 5 ~ 10 개의 실험실에서 연구 된 작은 모델의 상태를 얻었습니다. 예를 들어 Sánchez Alvarado와 소수의 다른 사람들은 Planian at Flatworm을 연구합니다. MEDITERRANEA 재생 모델로서. 그러나 개별 실험실이 새로운 모델 유기체를 개발하기가 어렵습니다. 이 과정은 위험하고 시간과 토대가 필요하며, 이는 과학자들이 보조금을 받고 새로운 논문을 게시하는 능력을 방해 할 수 있습니다.

MBL 리더십은 프로세스를보다 체계적으로 만드는 것을 목표로합니다. MBL은 새로운 모델 유기체를 생산하는 허브가되기를 원하며, 일부 기초 작업을 취합니다. 6 월 워크숍의 목표는 최고의 후보자를 선택하는 것이 었습니다. Morgan과 마찬가지로 그들은 빠르게 번식하고 실험실에서 쉽게 자랄 수있는 유기체를 원합니다. (실험실의 이름은 Woods Hole Squid 인 Cephalopod가 신경 과학자들에게 중요한 주조였습니다. 그러나 실험실에서 번식하기가 매우 어렵 기 때문에 후보는 없습니다.)

연구원들은 후보자 목록에 집중하면서 미세한 선을 걸을 것입니다. 워크숍의 전문가들은 MBL 팀이 과학에 숨겨져있는 야생의 생물학 세계를 폭로 할 수있을 정도로 수영장을 넓게 유지할 것을 촉구했습니다. 그러나 자원 제약과 협력의 힘으로 인해 몇 종을 좁아 야합니다. 모델 유기체는 다수의 전문가들이 다른 각도에서 접근 할 때 가장 강력합니다. 그들의 목표 수는 돌로 설정되어 있지 않지만 Sánchez Alvarado는 6 개의 새로운 종이 유용 할 것이라고 추정합니다. "우리가 가진 7 가지 정도의 모델 시스템에서 우리가 얼마나 배운지를 감안할 때, 잘 선택된 몇 가지 유기체를 개발하는 것이 변형 적으로 증명 될 수 있다고 상상할 수 있습니다."

과학자들은 시험의 영역을 통해 후보자를 운영하여 재생산 방법, 배아로 발달하는 방법 및 성인으로 성장하는 방법을 분석합니다. 그들은 유기체의 염색체 구조를 매핑하고 게놈을 서열합니다. 그들은 유전자 편집의 용이성을 테스트하여 특정 관심 유전자를 대상으로합니다. Sánchez Alvarado는“우리는 기술이 파열되어 우리가 편한 모델 시스템에서 사용했습니다. "이제 새로운 생물학적 국경에서 테스트합시다."

Sánchez Alvarado는이 과정이 5 ~ 10 년이 걸릴 것으로 추정하며, 더 많은 과학자들이 참여하면 더 적습니다. "오류는 새로운 시스템을 개발하는 데 오랜 시간이 걸리지 만 10 년 전과는 다르지 않을 것"이라고 그는 말했다. "현미경, 유전학, 진화 생물학 및 세포 생물학의 발전으로 인해 어떤 시스템에 집중 해야하는지 신속하게 결정할 것이라고 생각합니다."

모건이 오늘날 MBL의 노력에 대해 어떻게 생각하는지 알 수는 없지만, Morgan의 과학자 인 Sánchez Alvarado와 다른 사람들이 계획을지지 할 것이라고 추측합니다. “그는 Drosophila 에서 간질이었을 것입니다 생물학, 유전학, 생태학, 행동과 같은 다양한 질문에 대답하는 데 익숙해졌습니다.”라고 Morgan의 전기를 쓴 Allen은 말했습니다. 그러나 그는 아마도 소규모의 모델 유기체에 집중하는 것이 잘못 인도 될 것이라고 생각했을 것이라고 Allen은 말했다. "7 ~ 8 개의 모델 유기체에 대한 모든 생물학을 기반으로하려고한다면, 당신은 상당히 멀리 떨어져있을 것입니다."

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