Organismos modelo: qué son, ejemplos y uso en investigación biomédica
Descubre qué son los organismos modelo, sus ejemplos y cómo se usan en investigación biomédica para entender enfermedades y desarrollar tratamientos.
Un organismo modelo es una especie no humana que se estudia a lo largo de muchos años, acumulando muchos conocimientos sobre ella para comprender fenómenos biológicos fundamentales. Se espera que los descubrimientos realizados en el modelo permitan comprender el funcionamiento de otros organismos.
En particular, los organismos modelo se utilizan ampliamente en los ensayos con animales para explorar posibles causas y tratamientos de enfermedades humanas cuando experimentar con seres humanos sería imposible o menos ético.
Esta estrategia es posible gracias a las similitudes de todos los organismos vivos. Son similares debido a su descendencia común y a la conservación de las vías metabólicas y de desarrollo y de los genes a lo largo de la evolución.
Características que hacen útil a un organismo modelo
- Ciclo de vida corto: permite obtener muchas generaciones en poco tiempo y estudiar efectos genéticos o ambientales.
- Facilidad de cría y manejo: bajo costo y condiciones de laboratorio controlables.
- Herramientas genéticas disponibles: técnicas para alterar genes (mutagénesis, transgénesis, CRISPR/Cas), bancos de líneas y recursos comunitarios.
- Genoma conocido y conservado: secuencias genómicas y vías celulares que comparten homología con humanos u otros organismos de interés.
- Relevancia biológica: rasgos o procesos (desarrollo, metabolismo, neurobiología) que son representativos o informativos para otros organismos.
Ejemplos comunes de organismos modelo
- Escherichia coli: bacteria fundamental en biología molecular y bioquímica.
- Saccharomyces cerevisiae (levadura): modelo para estudio del ciclo celular, tráfico vesicular y envejecimiento celular.
- Drosophila melanogaster (mosca de la fruta): genética del desarrollo, genética de poblaciones y comportamiento.
- Caenorhabditis elegans (nematodo): desarrollo celular, muerte celular programada (apoptosis) y neurobiología simple.
- Danio rerio (pez cebra): desarrollo de vertebrados, cribado de fármacos y regeneración.
- Mus musculus (ratón) y Rattus norvegicus (rata): modelos mamíferos para fisiología, inmunología y enfermedades humanas.
- Arabidopsis thaliana: modelo vegetal para genética y desarrollo de plantas.
- Xenopus laevis/tropicalis y el pollo (Gallus gallus): embriología y desarrollo temprano.
Aplicaciones en investigación biomédica
- Descubrimiento de genes y vías: muchos procesos celulares (p. ej., mecanismos del ciclo celular, apoptosis, vías de señalización) se identificaron en organismos modelo y luego se relacionaron con humanos.
- Modelado de enfermedades: creación de modelos genéticos o inducidos (por ejemplo, ratones transgénicos o zebrafish) para estudiar cáncer, enfermedades neurodegenerativas, metabólicas e infecciosas.
- Desarrollo y prueba de fármacos: cribados iniciales en modelos sencillos (levaduras, células, pez cebra) y estudios preclínicos en mamíferos antes de ensayos clínicos humanos.
- Biología del desarrollo y regeneración: comprensión de cómo se forman tejidos y órganos, y cómo pueden regenerarse (ej.: regeneración en pez cebra).
- Tecnologías biomédicas: desarrollo y validación de técnicas como edición génica (CRISPR), terapia génica y nuevas metodologías de imagen.
Técnicas y herramientas habituales
- Edición genómica (CRISPR/Cas), RNAi, mutagénesis dirigida y generación de líneas transgénicas.
- Microscopía avanzada e imágenes en vivo para seguir procesos celulares y del desarrollo.
- Cultivos celulares, organoides y sistemas co-cultivo derivados de modelos o de humanos.
- Análisis ómicos (genómica, transcriptómica, proteómica, metabolómica) para comparar rutas conservadas.
Ética, limitaciones y alternativas
Si bien los organismos modelo han sido indispensables, existen consideraciones importantes:
- Ética y bienestar animal: la experimentación con animales está regulada y se rige por principios como las 3R: Reemplazo, Reducción y Refinamiento para minimizar sufrimiento y número de animales.
- Diferencias biológicas: no todos los resultados en modelos se traducen directamente a humanos por diferencias en fisiología, inmunología, longevidad y contexto ambiental.
- Reproducibilidad y contexto: condiciones experimentales, cepas y manejo pueden afectar resultados; la documentación y los repositorios públicos mejoran la reproducibilidad.
- Alternativas emergentes: modelos in vitro avanzados (organoides, chips de órgano), sistemas computacionales y modelos matemáticos permiten reducir la dependencia de animales en ciertos estudios.
Ejemplos históricos de impacto
- La genética clásica en Drosophila sentó las bases de la herencia moderna.
- Estudios en levadura identificaron genes clave del ciclo celular que resultaron relevantes para cáncer humano.
- Investigaciones en C. elegans esclarecieron mecanismos de muerte celular programada y desarrollo neuronal.
Cómo elegir un organismo modelo
La elección depende de la pregunta científica: algunas preguntas exigen un modelo simple y manipulable (p. ej., E. coli o levadura), otras requieren un vertebrado o mamífero para estudiar fisiología compleja o respuesta inmunitaria. Factores prácticos como coste, disponibilidad de herramientas genéticas y consideraciones éticas también influyen.
En resumen, los organismos modelo son herramientas poderosas que, usados con criterios éticos y científicos adecuados, permiten avanzar en el conocimiento básico y en la mejora de la salud humana y animal. Complementar los estudios en modelos con alternativas modernas y una interpretación crítica de la translatabilidad aumenta su utilidad en investigación biomédica.
Escherichia coli es un organismo procariota gramnegativo modelo
Drosophila melanogaster, uno de los sujetos más famosos para los experimentos en genética
Organismos modelo en genética
Drosophila melanogaster
Drosophila melanogaster fue uno de los primeros animales utilizados para la genética. Hoy en día es uno de los organismos eucariotas más utilizados y mejor conocidos genéticamente.
Todos los organismos utilizan sistemas genéticos comunes; la comprensión de la transcripción y la replicación en las moscas de la fruta ayuda a entender estos procesos en otros eucariotas, incluidos los humanos.
Los estudios de los rasgos ligados al cromosoma X confirmaron que los genes se encuentran en los cromosomas. Los estudios de los rasgos ligados condujeron a los primeros mapas de los loci genéticos en los cromosomas. Los primeros mapas de los cromosomas de Drosophila fueron realizados por Alfred Sturtevant.
Drosophila melanogaster es uno de los organismos más estudiados en la investigación biológica, especialmente en genética y biología del desarrollo. Su genoma completo fue secuenciado y publicado por primera vez en 2000.
Como se sabe mucho sobre su desarrollo, desde el huevo hasta la larva y el adulto, es un modelo clave para la genética del desarrollo, o evo-devo. Los genes hox, u homeobox, que controlan el desarrollo en los metazoos, se elaboraron en primer lugar en Drosophila.
Escherischia coli
En 1946, Joshua Lederberg y Edward Tatum describieron por primera vez el fenómeno conocido como conjugación bacteriana utilizando Escherichia coli como bacteria modelo.
E. coli fue una parte integral de los primeros experimentos para entender la genética de los fagos, y los primeros investigadores, como Seymour Benzer, utilizaron E. coli y el fago T4 para entender la topografía de la estructura de los genes. Antes de las investigaciones de Benzer, no se sabía si el gen era una estructura lineal o si tenía un patrón de ramificación.
E. coli fue uno de los primeros organismos en tener su genoma secuenciado; el genoma completo de E. coli K12 fue publicado por Science en 1997.
Los experimentos de evolución a largo plazo con E. coli, iniciados por Richard Lenski en 1988, han permitido observar directamente los principales cambios evolutivos en el laboratorio.
Otros organismos modelo
- Virus
- Fago Lamda
- Virus del mosaico del tabaco
- Protistas
- Emiliana huxlei: alga cocolitófora, ampliamente estudiada como especie de fitoplancton modelo
- Chlamydomonas reinhardtii
- Hongos
- Aspergillus nidulans
- Neurospora crassa
- Plantas
- Arabidopsis thalliana
- Zea mays Maíz
- Pisum sativum, Guisante
- Animales
- Caenorhabditis elegans, un nematodo
- Tribolium castaneum, escarabajo de la harina
- Drosophila melanogaster
- Mus musculus, el ratón
- Rattus norvegicus, la rata noruega
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es un organismo modelo?
R: Un organismo modelo es una especie no humana que se estudia durante muchos años para comprender fenómenos biológicos fundamentales.
P: ¿Por qué se estudian los organismos modelo?
R: Los organismos modelo se estudian para acumular muchos conocimientos sobre ellos con el fin de comprender mejor el funcionamiento de otros organismos.
P: ¿Qué se espera de los descubrimientos realizados en los organismos modelo?
R: La esperanza es que los descubrimientos realizados en los organismos modelo permitan comprender cómo funcionan otros organismos.
P: ¿Cómo se utilizan los organismos modelo en los ensayos con animales?
R: Los organismos modelo se utilizan mucho en los ensayos con animales para explorar posibles causas y tratamientos de enfermedades humanas cuando experimentar con seres humanos sería imposible o menos ético.
P: ¿Qué permite el uso de organismos modelo en los ensayos con animales?
R: El uso de organismos modelo en los ensayos con animales es posible gracias a las similitudes de todos los organismos vivos.
P: ¿Por qué son similares todos los organismos vivos?
R: Todos los organismos vivos son similares debido a su descendencia común y a la conservación de las vías metabólicas y de desarrollo y de los genes a lo largo de la evolución.
P: ¿Cuál es el beneficio de la conservación de las vías metabólicas y de desarrollo y de los genes a lo largo de la evolución?
R: El beneficio de la conservación de las vías metabólicas y de desarrollo y de los genes a lo largo de la evolución es que permite las similitudes entre los organismos vivos, lo que a su vez, permite el uso de organismos modelo en los ensayos con animales.
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