Ein Modellorganismus ist eine nichtmenschliche Spezies, die untersucht wird, um biologische Prozesse zu verstehen. Dabei wird davon ausgegangen, dass Entdeckungen am Modellorganismus Einblicke in die Funktionsweise anderer Organismen ermöglichen. Darüber hinaus können Modellorganismen eine zentrale Position im Evolutionsbaum einnehmen und Wissenschaftlern dadurch Erkenntnisse über die evolutionäre Entwicklung liefern. Modellorganismen sind zu unverzichtbaren Werkzeugen der biologischen Grundlagenforschung und der klinischen Forschung geworden und haben Wissenschaftlern dabei geholfen, eine enorme Menge an Wissen zusammenzutragen.
Erfahren Sie in der folgenden Tabelle mehr über nichtmammalische Modellorganismen und ihre unterschiedlichen Vorteile:
Modellorganismen in verschiedenen Reichen
| Reich | Modellorganismus | Forschungsgebiet |
| Prokaryoten | In der Grundlagenforschung ist B. subtilis die Spezies der Wahl, um die Replikation bakterieller Chromosomen und die Zelldifferenzierung zu untersuchen. Sie gilt als eine der am besten untersuchten Arten. Das Bakterium wird in Laborstudien eingesetzt, die darauf abzielen, die grundlegenden Eigenschaften und Merkmale grampositiver, sporenbildender Bakterien zu erforschen. | |
| E. coli lässt sich einfach und kostengünstig vermehren und kultivieren. Kultivierte Stämme, beispielsweise E. coli K12, sind gut an die Laborumgebung angepasst und wurden dort in den vergangenen 60 Jahren intensiv untersucht. Dadurch ist E. coli zum am häufigsten untersuchten prokaryotischen Modellorganismus geworden. Im Jahr 1946 wurde erstmals eine bakterielle Konjugation unter Verwendung von E. coli als Modellbakterium beschrieben, ähnlich wie bei den ersten Experimenten zum Verständnis der Phagengenetik. | ||
| Pilze | Aspergillus nidulans, bei Bezugnahme auf seine sexuelle Form auch als Emericella nidulans bezeichnet, ist ein wichtiger Forschungsorganismus für die Untersuchung der eukaryotischen Zellbiologie. Aufgrund seiner Parasexualität wurde die Transformation in der Genetik von Aspergillus schnell zu einer Alternative zur Kreuzung. Daher wurden genetische Marker bereits lange vor der Verfügbarkeit rekombinanter DNA durch die Nutzung der Parasexualität rekombiniert. A. nidulans entwickelte sich rasch zu einem der wichtigsten eukaryotischen Modellorganismen. Seit den 1950er-Jahren wird er zur Untersuchung einer Vielzahl von Themen eingesetzt, darunter Rekombination, DNA-Reparatur, Mutation, Kontrolle des Zellzyklus, Tubulin, Chromatin, Nukleokinese, Pathogenese, Stoffwechsel und experimentelle Evolution. | |
| N. crassa ist eine Art roter Brotschimmel. Aufgrund seines haploiden Lebenszyklus, der die Analyse rezessiver Merkmale erleichtert, und seiner unkomplizierten Kultivierung wird der Pilz häufig für Untersuchungen der Meiose, der Stoffwechselregulation und der zirkadianen Rhythmik verwendet. Röntgenexperimente und die Analyse von Fehlfunktionen bestimmter Enzyme führten zur Hypothese „ein Gen, ein Enzym“. Der Organismus ist wichtig für die Aufklärung molekularer Vorgänge, die an zirkadianen Rhythmen, Epigenetik und Gen-Silencing, Zellpolarität, Zellfusion, Entwicklung sowie an zahlreichen Aspekten der Zellbiologie und Biochemie beteiligt sind. Knockout-Varianten des Wildtyps von N. crassa werden umfassend untersucht, um die Funktion von Genen zu bestimmen. | ||
| Die Spalthefe S. pombe ist ein einzelliger Eukaryot. Die Zellen wachsen ausschließlich an ihren Zellenden und bilden zwei gleich große Tochterzellen, wodurch sie besonders für die Zellzyklusforschung geeignet sind. S. pombe war der sechste eukaryotische Modellorganismus, dessen Genom vollständig sequenziert wurde. Grundlegende Prinzipien einer Hefezelle können genutzt werden, um komplexere Organismen wie Säugetiere und insbesondere den Menschen besser zu verstehen. S. pombe ist außerdem zu einem wichtigen Organismus für die Untersuchung zellulärer Reaktionen auf DNA-Schäden und des Prozesses der DNA-Replikation geworden. | ||
| Eine Vielzahl menschlicher Proteine, darunter Zellzyklus- und Signalproteine sowie Enzyme, wurde erstmals durch die Untersuchung ihrer Homologen in Hefen entdeckt, insbesondere in S. cerevisiae. Als Eukaryot besitzt der Organismus die komplexe innere Zellstruktur von Pflanzen und Tieren, jedoch ohne deren hohen Anteil nichtcodierender DNA. Der einzellige Organismus hat eine kurze Generationszeit und lässt sich einfach kultivieren. Er war der erste Eukaryot, dessen Genom vollständig sequenziert wurde, und Deletionsmutanten decken mehr als 90 % des Genoms ab. S. cerevisiae durchläuft eine meiotische Teilung und eignet sich daher als Modell für die Erforschung der sexuellen Genetik. td> | ||
| Algen | C. reinhardtii ist eine einzellige Grünalge. Ihr unkompliziertes Wachstum und die Möglichkeit zur genetischen Manipulation veranlassen Wissenschaftler dazu, C. reinhardtii als Modellorganismus für die Erforschung grundlegender Fragestellungen zu verwenden, beispielsweise Zellbewegung und Zellerkennung, Photosynthese, Flagellen und Motilität, Regulation des Stoffwechsels sowie die Reaktion auf Nährstoffmangel. Da die Alge haploid ist, zeigen sich die Auswirkungen von Knockout-Mutationen unmittelbar im Phänotyp. Die Hälfte der mitochondrialen Proteine wird im Zellkern codiert. Diese einzigartige Eigenschaft macht C. reinhardtii zu einem bedeutenden Modell für mitochondriale Studien. | |
| Pflanzen | A. thaliana ist der am intensivsten untersuchte Modellorganismus in der Grundlagenforschung zur molekularen Pflanzengenetik. Die geringe Größe der Pflanze und ihres Genoms sowie ihre kurze Generationszeit erleichtern schnelle genetische Untersuchungen und prädestinieren sie als Werkzeug zum Verständnis der Molekularbiologie zahlreicher Merkmale, darunter Blütenentwicklung und Lichtwahrnehmung. Arabidopsis war die erste Pflanze, deren Genom sequenziert wurde. A. thaliana kann mithilfe von >A. tumefaciens über die sogenannte „Floral-Dip“-Methode genetisch transformiert werden. Durch diese Methode gehören Pflanzen und insbesondere A. thaliana zu den am einfachsten transformierbaren mehrzelligen Organismen, was für zahlreiche nachfolgende Untersuchungen von wesentlicher Bedeutung ist. Viele phänotypische und biochemische Mutanten wurden kartiert, was zum Verständnis der RNA-gesteuerten DNA-Methylierung, also des transkriptionellen Silencings, beiträgt. | |
| Reis (Oryza sativa) ist eine der wichtigsten Nutzpflanzen der Welt. Er besitzt eines der kleinsten Genome aller Getreidearten. Das International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP) begann 1997 mit seiner Entschlüsselung. Die Erforschung des Genoms ist ein Schritt hin zur genetischen Veränderung mit dem Ziel, Widerstandsfähigkeit und Ertrag zu steigern. Zur Bekämpfung von Vitamin-A-Mangel wurde Goldener Reis entwickelt, indem Reis mit zwei Genen der Beta-Carotin-Biosynthese transformiert wurde. | ||
| Mais ist eine diploide monokotyle Pflanze und eine der am häufigsten genutzten Getreidearten. Seit nahezu einem Jahrhundert ist er ein zentraler Modellorganismus für die Grundlagenforschung in Genetik, Molekularbiologie und Agronomie. Einige Maischromosomen weisen sogenannte chromosomale Knobs auf, hochrepetitive heterochromatische Domänen. Diese Knobs trugen zur Entdeckung von Transposons bei und bestätigten die Theorie der springenden Gene; etwa 85 % des Genoms bestehen aus Transposons. Zahlreiche DNA-Marker wurden kartiert, und das Genom wurde 2008 sequenziert. Darüber hinaus wird Mais zur Untersuchung der Entwicklungsphysiologie, Epigenetik, Schädlingsresistenz, Heterosis, quantitativen Vererbung und vergleichenden Genomik eingesetzt. | ||
| Tiere | C. elegans ist ein freilebender, transparenter Fadenwurm. Er ist ein mehrzelliger eukaryotischer Organismus, zugleich jedoch einfach genug, um sehr detailliert untersucht zu werden. Damit ist er ein ausgezeichnetes Modell für das Verständnis der genetischen Kontrolle von Entwicklung und Physiologie. C. elegans war der erste mehrzellige Organismus, dessen Genom vollständig sequenziert wurde, und besitzt eine festgelegte Anzahl von 1.031 Zellen. Er gehört zu den einfachsten Organismen mit einem Nervensystem und war mit Stand 2012 der einzige Organismus, dessen Konnektom vollständig erfasst worden war. Der Organismus wird zur Untersuchung von Chemotaxis, Thermotaxis, Mechanotransduktion, Lernen, Gedächtnis und Paarungsverhalten eingesetzt. | |
| D. rerio ist ein Süßwasserfisch, dessen Körper während der frühen Entwicklung nahezu transparent ist. Dies ermöglicht einen einzigartigen visuellen Zugang zur inneren Anatomie des Tieres. Zebrafische werden zur Untersuchung der Entwicklung von Wirbeltieren und der Funktion bestimmter Gene eingesetzt. Ihre Regenerationsfähigkeit ist insbesondere für die Erforschung der Rolle von Signalwegen von Interesse. Ergebnisse toxikologischer Studien an D. rerio können direkt auf Säugetiermodelle und den Menschen übertragen werden. | ||
| Die Fruchtfliege D. melanogaster war einer der ersten Modellorganismen überhaupt und wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts vom natürlich vorkommenden Organismus zum Labortier. Die Fliege wird umfassend für die biologische Forschung in den Bereichen Genetik, Physiologie, mikrobielle Pathogenese und Evolution von Lebensgeschichtsmerkmalen eingesetzt. Thomas Hunt Morgan erkannte als Erster das Potenzial der Kartierung der Chromosomen von D. melanogaster und aller bekannten Mutanten. Heute ist sie der genetisch am besten charakterisierte eukaryotische Organismus. Grundprinzipien von Prozessen wie Transkription und Replikation können auf andere Eukaryoten einschließlich des Menschen übertragen werden; etwa 60 % der Gene sind zwischen beiden Spezies konserviert. In jüngerer Zeit wird Drosophila auch in der neuropharmakologischen Forschung eingesetzt. | ||
| O. latipes ist ein Modellorganismus, der in zahlreichen Bereichen der biologischen Forschung umfassend eingesetzt wird, insbesondere in der Toxikologie. Mit sieben Wochen ist sein Generationszyklus kürzer als der des Zebrafischs. Darüber hinaus ist sein Genom mit etwa 800 Megabasenpaaren nur halb so groß, und O. latipes ist wesentlich robuster. | ||
| Platynereis dumerilii | Der Dumerilsche Ringelwurm P. dumerilii ist ein mariner polychaeter Annelid beziehungsweise Borstenwurm. Der Wurm lebt in einer ähnlichen Umgebung wie seine Vorfahren vor Millionen von Jahren und weist weiterhin zahlreiche ursprüngliche Merkmale auf, weshalb er häufig als lebendes Fossil bezeichnet wird. Er hat beispielsweise eine augenähnliche Struktur bewahrt, die als Augenfleck bezeichnet wird und zu den einfachsten existierenden Augenformen gehört. Aufgrund dieser evolutionären Konservierung wird P. dumerilii in zahlreichen phylogenetischen Studien als Modellorganismus eingesetzt. Die Genomgröße liegt mit 10 9 Basenpaaren im Durchschnittsbereich für ein Tier und ist größer als bei anderen Modellen. Das Genom ist jedoch intronreich und ähnelt daher stärker dem von Wirbeltieren wie dem Menschen. | |
| Der Afrikanische Krallenfrosch X. laevis ist eine aquatische Froschart, die in weiten Teilen Subsahara-Afrikas vorkommt. Er besitzt einen großen und leicht manipulierbaren Embryo, der molekularbiologische, entwicklungsbiologische und zellbiologische Untersuchungen ermöglicht. X. laevis weist im Vergleich zu anderen Modellorganismen eine relativ enge evolutionäre Verwandtschaft mit dem Menschen auf. Er ist das einzige Wirbeltier-Modellsystem, das Hochdurchsatzanalysen der Genfunktion in vivo sowie biochemische Hochdurchsatzuntersuchungen ermöglicht. Darüber hinaus sind die großen Oozyten des Frosches ein zentrales Modell für Studien zum Ionentransport und zur Physiologie von Ionenkanälen. |
Was ist ein Modellorganismus?
Bei der Auswahl eines Organismus für ihre Untersuchungen berücksichtigen Forscher verschiedene Merkmale. Dazu gehören Größe, Generationszeit, Zugänglichkeit, Manipulierbarkeit, genetische Eigenschaften, die Konservierung biologischer Mechanismen und ein möglicher wirtschaftlicher Nutzen. Ausgewählte Bakterien, Pilze, Pflanzen oder Tiere lassen sich mit einfachen Methoden züchten und untersuchen und sind daher für die biologische und biomedizinische Forschung von großer Bedeutung. Da sie als Modelle dienen, gehören Modellorganismen in der Regel zu den ersten Organismen eines Reiches, deren gesamtes Genom entschlüsselt wurde. Dies erweitert ihre Einsatzmöglichkeiten in der Forschung zusätzlich.
Geschichte der Modellorganismen
Die Geschichte der Modellorganismen begann mit der Vorstellung, dass bestimmte Organismen untersucht und genutzt werden können, um Erkenntnisse über andere Organismen zu gewinnen oder als Referenz beziehungsweise Idealmodell für andere Organismen derselben Spezies zu dienen. Modellorganismen schaffen Standards, die als anerkannte Grundlage für den Vergleich anderer Organismen dienen und für die Entwicklung phylogenetischer Stammbäume entscheidend sind. Heute sind phylogenetische Analysen von zentraler Bedeutung für das Verständnis von Biodiversität, Evolution, Ökologie und Genomen.Mitte des 19. Jahrhunderts legten Wissenschaftler wie Charles Darwin und Gregor Mendel mit ihren jeweiligen Arbeiten zur natürlichen Selektion und zur Genetik der Vererbung einen Grundstein für die genetische Forschung im Allgemeinen. Darwins Notizbücher aus dem Jahr 1837 enthalten eine der ersten Skizzen eines Evolutionsbaums. Im 20. Jahrhundert wurden diese grundlegenden Arbeiten an Pflanzen und freilebenden Tieren in Laboren fortgeführt, in denen Drosophila, E. coli und Labormäuse als neue Modellorganismen eingeführt wurden. Diese Organismen ermöglichten im vergangenen Jahrhundert zahlreiche wissenschaftliche Fortschritte.
Säugetiermodelle für Krankheiten
Um menschliche Prozesse und Verhaltensweisen zu verstehen, liefern Säugetiermodelle besonders umfassende Erkenntnisse, da sie einen hohen Grad an Homologie mit dem Menschen aufweisen. Aufgrund ihrer einfachen Haltung sind Maus- und Rattenarten die wichtigsten Vertreter. Aber auch Hominiden, Schweine, Meerschweinchen und Hunde werden intensiv untersucht.
In der Forschung eingesetzte Tiermodelle können eine natürlich vorkommende, durch Inzucht entstandene oder induzierte Krankheit beziehungsweise Verletzung aufweisen, die einer menschlichen Erkrankung ähnelt. Die Verwendung von Tiermodellen ermöglicht es Forschern, Krankheitszustände mithilfe von Verfahren zu untersuchen, deren Schadensausmaß beim Menschen als ethisch nicht vertretbar gelten würde. Komplexe menschliche Krankheiten lassen sich jedoch häufig besser in einem vereinfachten System verstehen, in dem einzelne Bestandteile des Krankheitsprozesses isoliert und untersucht werden.
Die
ist besonders als toxikologisches Modell und als Quelle für primäre Zellkulturen geeignet. Die Aortenbögen der Ratte gehören aufgrund ihrer ausgeprägten anatomischen Homologie zum menschlichen Herz-Kreislauf-System zu den am häufigsten untersuchten Strukturen in Nagetiermodellen. Darüber hinaus eignen sich Ratten besonders für psychologische Studien zum Lernen und zu anderen mentalen Prozessen sowie für die Untersuchung von Gruppenverhalten und Überbelegung. Dennoch hat die Ratte in den vergangenen zwei bis drei Jahrzehnten als Modellorganismus an Bedeutung verloren, da ihr Genom die Integration fremder DNA bei Weitem nicht in demselben Umfang toleriert wie das Mausgenom.Gründe für den Einsatz nichttraditioneller Modelle
Die Gruppe der als Modelle verwendeten Organismen ist keine fest definierte Kategorie. Neue Modellorganismen kommen hinzu, während andere im Laufe der Zeit an Bedeutung verlieren. Manchmal ist es sinnvoll, gezielt nach besonderen Organismen zu suchen, um ein neues Forschungsgebiet zu erschließen. Die ersten Untersuchungen der Chromosomenenden, der Telomere, wurden am bewimperten Protozoon Tetrahymena durchgeführt. Jede Tetrahymena-Zelle besitzt eine sehr große Anzahl kleiner, linearer Chromosomen und ist daher wesentlich stärker mit Telomersequenzen angereichert als eine typische eukaryotische Zelle.
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