Especie modelo

La pequeña mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, es una de las especies modelo más utilizadas en los laboratorios.

Al leer textos científicos, pósters en una conferencia, artículos en revistas de divulgación o un libro sobre biología general, aparecen de forma recurrente ciertas especies de seres vivos para explicar tal o cual proceso. Esto es debido a que esas son las especies modelo para ese proceso o para un grupo de seres vivos en el que se ha descrito el proceso. En biología se conoce como especie modelo a aquella especie que se conoce mejor para un determinado proceso y por ello existe un acuerdo tácito entre la comunidad científica que permite que los estudios realizados en dicha especie se puedan extrapolar a otras especies semejantes. De esta manera los estudios realizados en profundidad en una única especie permiten ampliar el conocimiento general sobre la vida en nuestro planeta. Por ejemplo durante la Edad Media en las escuelas de medicina árabes se empleaban cerdos para el estudio de anatomía como modelo de humanos, puesto que la biopsia humana estaba prohibida.

En la literatura científica se emplea también el término organismo modelo, muy extendido y a menudo intercambiable con “especie modelo”. Abarca bacterias, hongos, plantas y animales, e incluye especies, cepas y líneas de laboratorio bien caracterizadas. Por eso se habla de Escherichia coli o Arabidopsis thaliana como organismos modelo cuando priman los recursos experimentales.

Entre los modelos más consolidados se citan Escherichia coli para genética y bioquímica bacterianas, Saccharomyces cerevisiae para ciclo celular eucariota, Caenorhabditis elegans para desarrollo y genética, y Drosophila melanogaster para genética y desarrollo. En vertebrados destacan Danio rerio en biología del desarrollo, Mus musculus en fisiología y genética de mamíferos, y Arabidopsis thaliana como referente en biología vegetal.

Las características que tiene que tener una especie modelo, en principio, no tienen que ver con su abundancia en la naturaleza o si es de importancia humana. Tiene mucho más que ver con cuestiones prácticas, tanto económicas como laborales:

• Su ciclo vital (desde que nacen hasta que mueren) tiene que ser relativamente corto. En condiciones estándar, Drosophila melanogaster completa su ciclo en alrededor de 10 días a 25 °C, mientras que Caenorhabditis elegans alcanza la adultez en unas 3 jornadas. Frente a ello, muchos vertebrados requieren semanas o meses hasta la madurez, lo que condiciona el diseño experimental. Si no fuese así los experimentos que necesitasen varias generaciones o individuos adultos para poder observar resultados serían demasiado largos e imposibles de realizar.

• El número de descendientes en cada generación tiene que ser elevado. Una sola hembra de Drosophila puede poner varios cientos de huevos a lo largo de su vida, y los hermafroditas de C. elegans producen en torno a 300 descendientes por autofecundación. Este volumen de cría aporta potencia estadística y permite aislar variantes poco frecuentes sin esfuerzos desproporcionados. Si de cada apareamiento solo nace una cría sería muy difícil mantener una población de esa especie, así como poder observar y verificar cambios entre los individuos.

• La manutención y el manejo en laboratorio deben ser sencillos. Esto tiende a responder a razones prácticas, puesto que especies de pequeño tamaño permiten tener gran número de individuos en un laboratorio de proporciones normales. Además individuos pequeños gastan menor cantidad de comida. Existen medios y alojamientos baratos y estandarizados, como caldos LB para bacterias, YPD para levaduras, viales con alimento para Drosophila o placas NGM para C. elegans, y acuarios modulares para pez cebra. En animales, el trabajo se ajusta a los principios de las 3R, Reemplazo, Reducción y Refinamiento, que guían el bienestar y la planificación experimental. Muchas veces la comida se tiene que preparar diariamente en el laboratorio, por eso cuanto más sencilla de hacer o conseguir mejor. También dentro del manejo de laboratorio podríamos incluir que sea fácil de conseguir individuos de la especie, es más barato comprar un gato que un tigre como modelo de felino.

• Amplio conocimiento de la especie. Los principales modelos cuentan con el genoma secuenciado y mapas genéticos y físicos, además de colecciones de mutantes y líneas transgénicas. Existen centros de stocks centralizados como el Bloomington Drosophila Stock Center, el Caenorhabditis Genetics Center o los bancos de Arabidopsis, que garantizan materiales homogéneos y trazables. Este es el punto más complicado de cumplir. Puesto que la ventaja de una especie modelo es que se conocen muy bien todos sus procesos ¿cómo se empieza a trabajar con ella cuando no se conoce? La respuesta es partiendo de los puntos anteriores. La biología es una disciplina de la ciencia que lleva siglos de actividad. Algunas especies modelo son más modernas, como el pez cebra (Danio rerio), y otras llevan ya tanto tiempo en nuestros laboratorios que son diferentes de las que podríamos encontrar en la naturaleza, como la mosca de la fruta Drosophila melanogaster.

• Fácil de manipular. Hay juegos de herramientas consolidados para modificar y leer la función génica, como la interferencia de ARN en C. elegans y Drosophila o el sistema GAL4/UAS en Drosophila para dirigir la expresión. En ratón es habitual el uso de recombinasa Cre/loxP, mientras que en pez cebra y Arabidopsis se dispone de transgénesis estable y técnicas de edición actuales. Si por manejo nos referimos a poder coger los individuos y transportarlos de un lugar a otro, por manipular nos referimos a la parte más científica. Los métodos y técnicas que se emplean para observar nuestro carácter de estudio deben ser lo más sencillos posibles para facilitar el trabajo diario del laboratorio.

Estos son los cinco puntos básicos que tiene que tener una especie modelo. Sin embargo, dependiendo del estudio posiblemente sea necesario añadir algún punto más. Como pueden ser ejemplos, para un estudio de herencia genética:

• Características morfológicas fáciles de observar. Por ejemplo, los guisantes de Mendel permitían ver diferencias de color a simple vista, verdes o amarillos.

• Presentar varios fenotipos para un mismo carácter y que sean estables. Para esos mismos guisantes si no hubiera habido dos colores diferentes para los guisantes nunca hubiera observado nada. Además los colores verde y amarillo tienen que ser estables, es decir, el número de descendientes con un color intermedio tiene que ser bajo o nulo para facilitar el estudio.

• Disponibilidad de marcadores polimórficos, mapas de ligamiento y genomas de referencia. Estos recursos permiten cartografiar genes responsables de rasgos y cuantificar efectos con precisión en cruzamientos controlados.

La posibilidad de extrapolar resultados entre especies se apoya en la conservación evolutiva de genes y rutas celulares, que suele mantenerse desde bacterias hasta vertebrados para procesos básicos. No obstante, el grado de conservación varía según el linaje y el rasgo estudiado, de ahí la necesidad de combinar modelos complementarios.

El caso ideal sería que una única especie modelo resolviese las dudas sobre todos los procesos de los seres vivos. Sin embargo esto no es así, la bacteria Escherichia coli es un buen modelo para algunos procesos generales a todos los seres vivos, pero inútil a la hora de estudiar la formación de los huesos. Es por eso que existen varias especies modelo. Cuanto más conoce el ser humano del mundo que le rodea más diferencias ve entre las especies que conoce como modelos y el resto, pero hay que empezar por alguna parte y ahí entran en juego las especies modelo.