生物学者は新しいモデル生物を探す|生き物

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19 世紀後半に学生だったコロンビア大学の動物学者、トーマスハントモーガンは、夏をマサチューセッツ州ウッズホールの海辺の村で過ごすために、都会の暑さから逃れてきました。そこの海洋生物学研究所は、探索する生物多様性の豊かさを提供しました。モーガンは、ヤドカリの再生、ウニの細胞分裂、カエルの胚発生、アブラムシの性決定を調べました。彼は、現代の生物学者には前代未聞の目まぐるしい敏捷性で動物から動物へと移動し、そのたびに基礎生物学への主要な洞察を明らかにしました。

その後、1900 年代初頭、モーガンはチャールズダーウィンの理論のいくつかをテストするための生物を探していました。彼は、研究室で簡単に育てることができ、数週間ごとに何百もの子孫を生み出す昆虫について聞いた.この昆虫 — ショウジョウバエ — は、この仕事にぴったりの動物のように聞こえました.

そうだった。モーガンはショウジョウバエを使用して、染色体が遺伝の基礎であることを示しました。この発見は現代の遺伝学の土台となり、1936 年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。

モーガンは 20 世紀で最も尊敬される生物学者の 1 人になりましたが、彼の科学的名声は、生物学研究のほぼ同義語となった彼の主題の名声と競合することはありませんでした。ハエ、キイロショウジョウバエ 、生物学の内部の仕組みを研究するためのテストシステム、つまりモデル生物に変身しました。科学者は、人間の健康に適用可能な問題を含め、生物学をより広く理解することを目的として、モデル生物を研究しています。

モーガンがハエの繁殖を始めてから数十年で、モデル生物のアプローチが開花しました。今日の生物学的研究の大部分は、ショウジョウバエ、回虫などの特定の種のグループに集中しています。エレガンス、ゼブラフィッシュ、マウス、その他いくつか。これらの動物は実験室で簡単に育てることができ、研究者はそれらのゲノムを分析および変更するためのツールを開発しました。動物は基礎生物学と病気の両方の理解に多大な影響を与え、科学者に何十ものノーベル賞をもたらしました.

しかし、一部の科学者は、生物学には、科学者が多種多様な生物を研究したモーガンの飛行前の時代の味が必要であると主張しています。彼らは、地球上の推定 900 万種のうち約 7 種の動物に焦点を当てることで、興味深い生物学の膨大な量を見逃していると主張しています。ミズーリ州カンザスシティにあるストワーズ医学研究所の生物学者、アレハンドロ・サンチェス・アルバラードは、「私たちはルネッサンスを迎えようとしています。「私たちは、統計的に地球上の生物活動の全範囲を網羅する可能性が非常に低い一握りの生物に焦点を絞りました。」

6 月、サンチェスアルバラドと他の数人の科学者は、ウッズホールの海洋生物学研究所に専門家パネルを招集し、新しいモデル種の開発について議論しました。研究者たちは、自然の多様性と、特定の種に焦点を当てることで蓄積された豊富なツールと知識の両方を利用して、狭い世界と広い世界の両方の長所を組み合わせたいと考えています。 MBL の研究責任者であるジョナサンギトリンは、次のように述べています。「私たちが知っていることのほとんどが 7 つの生物から来ているとしたら、700 の生物がいたとしたら何を知っているか想像してみてください。」

モデルの作成

イカ Doryteuthis pealeii 家猫よりも小さいですが、典型的な人間の何百倍もの神経繊維を持っています。 1940 年代から 50 年代にかけて、イカはウッズホールの神経科学者の間で人気がありました。巨大な繊維に電極を突き刺して、繊維に沿って伝播する電気的活動を測定できるからです。その前例のないアクセスにより、神経細胞通信の基本が明らかになり、その発見者は 1963 年にノーベル賞を受賞しました。

「ウッズホールイカ」として知られるようになったのは、当時の生物学者のアプローチを具体化したものでした。つまり、関心のある特定の問題に最も適した生物を見つけるというものでした。「1970 年代と 80 年代まで、人々は特定の質問に答えるために、生物の個々の属性に基づいて生物を選択していました」と、サンチェスアルバラドとギトリンと共にパネルを招集した MBL の生物学者、ジョシュアローゼンタールは述べています。

この分野は、1980 年代に一握りの種に近づき始めました。これは、新しい遺伝子ツールの出現が一因です。これらのツールは手間と費用がかかるため、研究者はいくつかの種で機能するように努力しました。モーガンのように、ワームやマウスなど、繁殖しやすく世代時間が比較的短い生物を選びました。これは、科学者が生物のゲノムをいじり、次の世代がその成果を見るのを待たなければならない遺伝学実験にとって特に重要です。

ワシントン大学の科学史家であるガーランド・アレン氏は、「多くの生物は実験室で成長したり繁殖したりするのが難しいため、便利な特徴をたくさん持っている生物を思いついたとしても、すぐに取り上げられる可能性があります」と述べています。 . ルイス

特定の生物を研究する科学者が増えるにつれて、彼らはその種に固有のツールを発明し、その生物学をより深く理解するようになりました。その結果、前世代の技術と発見に基づいて構築されたさらに多くの科学者が引き寄せられ、正のフィードバックループが発生しました。最も一般的に研究されている生物は、ゲノム配列が最初に解読された生物の 1 つであり、科学者が使用しなければならなかった分子ツールの武器をさらに強化しました。「研究は少数の生物に注ぎ込まれました」とローゼンタールは言いました。「その種のリストは、何十年もの間すべてを支配してきました。」

皮肉なことに、ゲノム配列決定は、わずか数種類のモデル生物への生物学の依存を断ち切り始めた 2 つの主要な技術的進歩の 1 つです。ゲノムシーケンスのコストが急激に低下したため、ほぼすべての種の DNA を簡単に解読できます。「私たちは、基本的にどんな生物でもゲノムの生成を開始できます」と Rosenthal 氏は述べています。

さらに重要なことは、CRISPR などの DNA を編集するための新しい技術により、遺伝子操作できる種の数が劇的に拡大したことです。つまり、科学者はさまざまな生物の遺伝子をいじくり回して、再生やカモフラージュ、記憶に不可欠なものを見つけ出すことができるということです。

「ツールがなかったので、20 年前なら夢物語だったでしょう」と Sánchez Alvarado 氏は言います。「しかし、それは過去 5 年間で変化しました。突然、以前よりもはるかに暗闇を覗き込むことができるようになりました。」

実際、CRISPR は、生物学の外側を探索することの潜在的な利点を強調しています。遺伝子編集技術は、今世紀で最も重要な生物学的発見の 1 つとして称賛され、微生物の免疫システムを研究している科学者によって発見されました。「生物学の僻地で特徴付けられる何かが、生物学のメカニズムを理解するための優れたツールとして現れると誰が考えるでしょうか」とサンチェス・アルバラードは言いました.

より広範なアプローチは、ワーム、ハエ、マウスではカバーできない生物学的ギャップを埋めるのにも役立ちます.たとえば、これらの生物はいずれも体の一部を再生することはできませんし、特に長命でもありません。この 2 つの特徴は、人間の健康にとって非常に興味深い可能性があります。

しかし、海には複雑な再構築が可能な生物が散らばっています。淡水扁形動物を切り刻む Schmidtea mediterranea 小さな部品に分割され、それらの部品は完全な個体を再生することができます。スポンジも同様に、断片から、あるいは単一の細胞からさえも再生することができます。それらは驚くべき細胞柔軟性を持っており、成体細胞でさえあらゆる種類の細胞に発達することができます.そして彼らは信じられないほど長生きすることができます。 5 月に科学者たちは、ハワイ沖でミニバンほどの大きさの 2,000 年前の海綿を発見しました。

スポンジとは異なり、私たち自身の細胞は、いったん特定のアイデンティティを獲得するとほとんど動かなくなり、心臓、脳、その他の組織の損傷を修復する能力が制限されます.しかし、私たちは海綿や扁形動物と同じ遺伝子の多くを共有しているため、それらの再生力を解読することは、治癒への新しいアプローチを刺激するかもしれません. 「幹細胞の調節と組織修復の理解に素晴らしい恩恵をもたらすでしょう」と Sánchez Alvarado 氏は述べています。「私たちが研究するものは何でも、私たち自身と私たちが住んでいる生態系についての理解に大きな影響を与える可能性が非常に高いです。」

インキーの大脱走

キャリー・アルバーティンが博士課程の研究のための研究室を選んでいたとき、シカゴ大学の教授が彼女をタコの水槽に連れて行ってくれました。 240 ガロンのタンクに、小指の爪ほどの大きさの卵が 1 つだけ浮いていました。「5分以内に、それは孵化し、私たちを見て、色を変え、インクを塗り、泳ぎ去りました」とアルバーティンは言いました. 「私は売られました。」

アルベルティンだけではありません。多くの生物学者は、タコ、イカ、イカを含む頭足類に魅了されています。たとえば、タコやイカには驚くべき再生力があります。場合によっては、新しい触手をゼロから成長させることができます。彼らは、LEDのような皮膚によって達成される、洗練されたコミュニケーションと変装の手段を持っています.ハエやミミズのような無脊椎動物であり、神経系が人間とは大きく異なるにも関わらず、驚くほど複雑な行動をとることができます。 YouTube には、瓶を開けることができるタコから、捕食者から身を守るためにココナッツの殻を持ち歩くタコまで、頭足類の偉業がたくさんあります。ニュージーランドの水族館にいる Inky という名前のタコが、4 月に水槽の上部の小さな隙間をすり抜け、床を駆け抜け、長さ 164 フィートの排水管を海に滑り落ちた後、世界的な見出しになりました.

無脊椎動物の中で最大の頭足類の脳は、科学者にとっていまだ謎のままです。しかし、彼らはそれが私たちのものとは大きく異なって組織されていることを知っています.中枢神経系に加えて、タコには分散型知能システムがあり、そのニューロンの多くは 8 本の腕のそれぞれに割り当てられています。実際、タコの一部の種は、捕食者に襲われたときに腕を取り除くことができ、動物が逃げる間、切り離されているがアクティブな手足を捕食者と格闘するために残します. 「興味深いのは、完全に異なる方法で複雑さを進化させたからです」と Rosenthal 氏は述べています。

タコのモデル種の最有力候補の 1 つは、ゲノム配列が解読された最初の頭足類であるカリフォルニアツースポットタコです。昨年の夏に発表されたそのゲノムは、私たち自身のものとほぼ同じ大きさ (30 億塩基に対して 27 億塩基) であり、ヒトの 20,000 から 25,000 と比較して、約 33,000 の遺伝子を持っています。

ゲノムは、複雑な行動を促進する可能性のある分子革新を暗示しています。ゲノム研究の最も驚くべき発見の 1 つは、さまざまなニューロンがどのように接続されているかを決定するのに役立つ、プロトカドヘリンと呼ばれるタンパク質の大きなファミリーです。タコの配列を解読する前、科学者たちは脊椎動物だけがこれらのタンパク質を大量に持っていると考えていました。しかし、タコには 168 種類のプロトカドヘリンがあり、人間の 58 種類とは対照的です。

シカゴ大学の神経生物学者で、配列決定プロジェクトを率いた (キャリー・アルバーティンを最初にタコ水槽に連れて行った) クリフ・ラグズデールは、彼らは現在、タコの神経回路に注目し始めていると述べた。これらのタンパク質の。彼らは、プロトカドヘリンの多様な配列が、より多様な一連のニューロン接続を可能にしているのではないかと考えています。「プロトカドヘリンは、神経細胞を接続する方法のコードを作成します。コードの要素が多いほど、コードは複雑になります」とローゼンタール氏は述べています。しかし、仮説主導の方法でこれをテストできた人はまだいない、と彼は言いました.

ツースポットタコがモデル種の地位を獲得した場合、ラグスデールらは、これらの問題に取り組むための分子ツールのより大きな武器を手に入れるでしょう.その後、特定のプロトカドヘリンの遺伝子を排除し、神経回路に何が起こるかを分析して、より制御された実験を開始できます.

タコを育てる

Sánchez Alvarado、Rosenthal、および Gitlin がモデル生物ワークショップを計画していたとき、彼らは淡水扁形動物から甲殻類、イカ、サンゴまで、さまざまな種を研究している科学者を招待しました。個々の研究者は、彼らのペット生物の利点と、それらが新しい生物学的秘密をどのように明らかにするかを宣伝しました.サンゴは、地球温暖化が海に与える影響を追跡するのに役立つ可能性があります。イカは、宿主とその常在微生物との間の緊密な関係についての洞察を提供するかもしれません.さまざまなボディプランを持つ甲殻類は、手足がどのように発達するかを明らかにする可能性があります。「従来のモデルに固執する必要はないと考えてみましょう」とサンチェス・アルバラード氏は語った。「私たちは生物の生物学的属性を再び利用し始めることができます。私たちが聞きたい大きな質問は何ですか？これらの質問に答えるために、どの生物を使用できますか?」

これらの生物の一部は、ハエ、マウス、ワームに焦点を当てた数百または数千の研究室ではなく、5 ～ 10 の研究室で研究され、すでにマイナーモデルの地位を獲得しています。たとえば、Sánchez Alvarado と他の数人は、プラナリアの扁形動物 S を研究しています。地中海 再生モデルとして。しかし、個々の研究室が新しいモデル生物を開発することは困難です。このプロセスはリスクが高く、時間と基礎が必要であり、科学者が助成金を取得して新しい論文を発表する能力を妨げる可能性があります。

MBL のリーダーシップは、プロセスをより体系的にすることを目指しています。 MBL は、新しいモデル生物を作成するためのハブになりたいと考えており、基礎的な作業の一部を引き受けています。 6 月のワークショップの目標は、トップ候補の選択を開始することでした。モーガンのように、彼らは繁殖が速く、実験室で簡単に成長できる生物を望んでいます。 (研究室の名前の由来となった頭足類であるウッズホールイカは、神経科学者にとって重要な働き者でした。しかし、研究室での繁殖が非常に難しいため、候補にはなりません。)

研究者は、候補リストに焦点を当てながら、紙一重で歩きます。ワークショップの専門家は、MBL チームに対し、科学に隠された野生の生物学の世界を明らかにするのに十分な広さのプールを維持するよう強く求めました。しかし、リソースの制約とコラボレーションの力の両方のために、彼らはいくつかの種に絞り込む必要があります.モデル生物は、多くの専門家がさまざまな角度からアプローチしたときに最も強力になります。彼らの目標数は決まっていませんが、サンチェス・アルバラードは、半ダースの新種が有用であると推定しています. 「私たちが持っている 7 つほどのモデルシステムからどれだけ多くのことを学んだかを考えると、適切に選択されたいくつかの生物を開発することが変革をもたらす可能性があると想像できます」と彼は言いました。

科学者は、候補者がどのように繁殖し、どのように胚として成長し、どのように成人に成長するかを分析しながら、さまざまなテストを実施します。彼らは、生物の染色体構造をマッピングし、ゲノムの配列を決定します。彼らは、関心のある特定の遺伝子をターゲットにして、遺伝子編集の容易さをテストします。「私たちはテクノロジーの急増を目の当たりにし、それを私たちが慣れ親しんだモデルシステムで使用しました」と Sánchez Alvarado 氏は述べています。「さあ、新しい生物学的最前線でテストしましょう。」

Sánchez Alvarado は、このプロセスには 5 年から 10 年かかり、より多くの科学者が参加すればおそらくそれよりも短くなると見積もっています。「新しいシステムの開発には長い時間がかかるというのは誤りですが、状況は 10 年前と同じではありません」と彼は言いました。「顕微鏡、遺伝学、進化生物学、細胞生物学の進歩により、どのシステムに注目すべきかをすぐに判断できると思います。」

モーガンが現在生きていた場合、MBL の取り組みについてモーガンがどう考えるかはわかりませんが、科学者としてのモーガンの多様な関心を考えると、サンチェスアルバラドや他の人々は、モーガンが計画を支持すると推測しています。「彼はショウジョウバエにくすぐられたでしょう遺伝学、生態学、行動など、生物学における非常に多くの異なる質問に答えるために使用されていました」とモーガンの伝記を書いたアレンは言いました.しかし、モデル生物の小さなグループに焦点を当てることは見当違いであると彼は考えた可能性が高い、とアレンは述べた。「生物学のすべてを 7 つまたは 8 つのモデル生物に基づいて構築しようとすると、かなり道に迷うことになります。」

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