bélyeg|Escherichia coli (kólibacilus), Gram-negatív prokarióta modellszervezet
bélyeg|Drosophila melanogaster (ecetmuslica), az egyik legismertebb kísérleti alany
A modellszervezet vagy modellorganizmus olyan (az emberi fajon kívüli) faj, amit annak reményében tettek kutatások célpontjává, hogy a fajjal kapcsolatban fellépő egy-egy biológiai jelenség vizsgálata közben tett felfedezések betekintést nyújtanak majd más szervezetek életfolyamataiba is. Gyakran annak reményében tanulmányozzák a modellszervezeteket, hogy emberi betegségek gyógymódját vagy lehetséges okait felderítsék, olyan esetekben is, amikor az emberkísérletek alkalmazhatatlanok vagy etikátlanok lennének. Ezt a megközelítést az összes földi élőlény közös leszármazása, valamint az evolúció folyamán az anyagcsere-, a fejlődéstani útvonalak és a genom megőrződése teszi lehetővé. A modellszervezetek tanulmányozásából fontos információk nyerhetők, de óvatosnak kell lenni a szervezetek közötti általánosítások megtételével.
Modellszervezet választása A modellszervezetek olyan élőlények, melyek vizsgálatával bőségesen ki lehet nyerni olyan biológiai adatokat, amik hasznosnak bizonyulhatnak más, közvetlenül nehezebben tanulmányozható fajok – köztük az ember – vizsgálatakor. Vannak köztük genetikai modellek (rövid nemzedékváltások közti időkkel, mint az ecetmuslica vagy a C. elegans fonálféreg esetében), kísérleti modellek és az evolúciós törzsfában sarkalatos helyet elfoglaló genomikai modellek. A modellszervezetekről sokszor kimerítő genomikai információkkal rendelkezünk, mint pl. a NIH modellszervezetek esetében.
Gyakran jó kísérleti manipulálhatóságuk alapján választanak modellorganizmust. Az ezzel kapcsolatos jellemzők közé tartozik a rövid életciklus, genetikai manipulációs technikák (beltenyésztett törzsek, őssejtvonalak, genetikai transzformációs technikák) hozzáférhetősége, könnyen biztosítható életkörülmények. Sok esetben a modellszervezet genomjának speciális tulajdonságai miatt döntenek a szekvenálás mellett – például mert nagyon kompakt, vagy kis mértékben tartalmaz nem kódoló DNS-t, pl. az élesztő, az Arabidopsis vagy a gömbhal esetében.
Amikor a kutatók modellszervezetet választanak, több jellemzőt is figyelembe vesznek. Ilyen az élőlény mérete, életciklusának hossza, hozzáférhetősége, kísérleti manipulálhatósága, genetikája, különböző mechanizmusainak konzerváltsága, az elérhető gazdasági haszon. Mióta a genetikai vizsgálatok könnyebben elérhetővé, és az összehasonlító molekuláris biológiai kutatások elterjedtebbé váltak, az evolúciós törzsfa nagyobb területeiről választhatnak modellszervezetet a kutatók.
Modellszervezetek használata Mára számtalan modellszervezetet használnak a biológusok. A molekuláris biológiában használt egyik első modell az emberi emésztőrendszerben általános Escherichia coli. Számos, az E. coli-t fertőző bakteriális vírus, azaz bakteriofág (pl. a lambda-fág és a T4-fág) is rendkívül hasznosnak bizonyult a génszerkezet és a génszabályozás vizsgálatában. Magukat a bakteriofágokat vírusok lévén nem tekintik önálló élőlényeknek, mivel nincsen anyagcseréjük és kizárólag a gazdasejt közreműködésével képesek a sokszorozódásra.
Az eukarióták közül számos élesztőfajt, különösen a sörélesztőt (Saccharomyces cerevisiae) használtak széleskörűen a genetikában és a sejtbiológiában, főként mert könnyen és gyorsan növeszthetők. Az egyszerű élesztő sejtciklusa nagyon hasonló az emberéhez, és szabályozó fehérjéi is homológok. A Sophophora melanogastert szintén az állatok között könnyűnek számító tartása, valamint jól látható örökletes jellegei, a nyálmirigyeiben lévő, fénymikroszkóp alatt vizsgálható, óriáskromoszómája (politénia) miatt. A C. elegans fonálférget azért választották, mert fejlődési állapotai meghatározott számú sejtet tartalmaznak, és rendellenességei könnyen észlelhetők.
bélyeg|Dohánymozaik-vírus részecskéinek elektronmikroszkópos képe Fontos modellszervezetek Vírusok A vírusok közé tartoznak: Lambda-fág Phi X 174 – genomja az első volt, amit szekvenáltak. 11 génből, 5386 bázispárból álló körkörös genom. Dohánymozaikvírus
Prokarióták bélyeg|Bacillus subtilis sporulációja A prokarióták közé tartoznak:
Escherichia coli (E. coli) – ez az elterjedt, Gram-negatív bélbaktérium a molekuláris genetika legszéleskörűbben használt modellszervezete. Bacillus subtilis – endospóra létrehozására képes, Gram-pozitív baktérium Caulobacter crescentus – két, egymástól különböző sejtre osztódó baktérium, amit a sejtdifferenciálódás tanulmányozására használnak. Mycoplasma genitalium – minimál-organizmus, méretre és genomra való tekintettel is (521 gén). Aliivibrio fischeri – a „quorum sensing”, a biolumineszcencia és a kurtafarkú tintahallal (Euprymna scolopes) való állat-baktérium közötti szimbiotikus kapcsolata teszi érdekessé. Synechocystis – fotoszintetikus cianobaktérium, a fotoszintézis kutatásában használják. Pseudomonas fluorescens – laboratóriumban könnyen különböző törzsekké diverzifikálható talajbaktérium.
Eukarióták Az eukarióták közé tartoznak:
Protiszták Chlamydomonas reinhardtii – egysejtű zöldmoszat, amit a fotoszintézis, az ostorok és a motilitás, az anyagcsere szabályozása, a sejtszintű felismerés és adhézió, a tápanyagmegvonásra való válasz és sok más téma vizsgálatára felhasználnak. A Chlamydomonas reinhardtii genetikája jól ismert, számos ismert és feltérképezett mutációval és részszekvenciával, továbbá számos fejlett módszer létezik a génjeinek kiválasztására és genetikai transzformációjára. A Chlamydomonas reinhardtii teljes genomjának szekvenálását 2007 októberében jelentették be.Chlamydomonas genome sequenced published in Science, October 12, 2007 A Duke Egyetemen Chlamydomonas-géngyűjtemény létezik, és egy nemzetközi Chlamydomonas kutatói érdekcsoport, aminek tagjai rendszeresen találkoznak a kutatási eredmények megbeszélésére. A Chlamydomonas meghatározott táptalajon könnyen és olcsón növeszthető. Dictyostelium discoideum – a molekuláris biológiában és genetikában használt (genomját szekvenálták), a sejtkommunikációval, sejtdifferenciálódással és a programozott sejthalállal kapcsolatban tanulmányozzák. Tetrahymena thermophila – szabadon élő csillós. Gephyrocapsa huxleyi – tengeri egysejtű kokkolitofóra alga, alaposan tanulmányozott fitoplankton-modellfaj.
Gombák Ashbya gossypii, a gyapot kártevője, genetikai kutatások alanya (polaritás, sejtciklus) Aspergillus nidulans, genetikai kutatások penészgombaalanya Coprinus cinereus (trágyatintagomba), kalapos gomba (a gombafejlődés, valamint a meiózis genetikai tanulmányozása) Neurospora crassa, kenyérpenész (a meiózis, az anyagcsere-szabályozás és a cirkadián ritmus genetikai vizsgálata) Saccharomyces cerevisiae, sörélesztő Schizophyllum commune – a gomba föld feletti része (termőtest) kialakulásának modellszervezete Schizosaccharomyces pombe, hasadó élesztő (sejtciklus, sejtpolaritás, RNS-interferencia, centromerstruktúra és -funkció, transzkripció) Ustilago maydis, kétalakú élesztő, kukorica-patogén (dimorfizmus, növénypatogenitás, transzkripció)
Növények bélyeg|Arabidopsis thaliana Arabidopsis thaliana vagy lúdfű, jelenleg a legnépszerűbb modellnövény. Ez a lágyszárú, kétszikű növény a keresztesvirágúak családjába tartozik. Kis termete és rövid, mintegy hat hetes tenyészideje a genetikai kutatások kiváló alanyává teszik,About Arabidopsis on The Arabidopsis Information Resource page (TAIR) számos fenotípusát és biokémiai mutánsát feltérképezték. Az Arabidopsis volt az első növény, aminek a genomját szekvenálták. A szekvenciát, sok más a növénnyel kapcsolatos információval együtt az Arabidopsis Information Resource (TAIR) adatbázisában tárolják.(Növényélettan, fejlődésbiológia, molekuláris genetika, populációgenetika, sejtbiológia, molekuláris biológia) Selaginella moellendorffii, az edényes növények evolúciójának egy ősi fejlődési vonalát képviselő csipkeharaszt; kulcs lehet a szárazföldi növények kialakulásának megértésében. Genomja kisméretű (~110 millió bázispár), a szekvenciát 2008 elején a Joint Genome Institute hozta nyilvánosságra. (Evolúcióbiológia, molekuláris biológia) Brachypodium distachyon, egy perjeféle, amit számos jellemzője a mérsékelt égövi gabonák kiváló modellnövényévé tesz. (Mezőgazdaság, molekuláris biológia, genetika) Lotus japonicus kerepfaj, pillangós modellszervezet, a nitrogénmegkötésért felelős szimbiotikus kapcsolatát vizsgálják. (Mezőgazdaság, molekuláris biológia)bélyeg|balra|Lemna gibba Lemna gibba, vagy púpos békalencse egy gyors növekedésű, vízi életmódú egyszikű, a zárvatermők közül a legkisebbek közé tartozik. Növését kemikáliák növényekre vonatkozó toxikusságának mérésére használja fel az ökotoxikológia. Tiszta kultúrában (azaz más fajoktól mentesen) is növeszthető, így a mikrobák hatása kiküszöbölhető. A Lemna a biogyógyszerészetben komplex gyógyszerek üzemszerű gyártására felhasznált rekombináns génkifejeződési rendszer. Az oktatásban az exponenciális növekedés magyarázatára is felhasználják. bélyeg|Zea mays Kukorica (Zea mays L.), egy gabonanövény. Diploid egyszikű növény 10 nagyméretű, mikroszkóp alatt jól tanulmányozható kromoszómapárral. Genetikai jellemzői, köztük számos jól ismert és feltérképezett fenotípusos mutánssal, és keresztezésenkénti nagy számú utóda (tipikusan 100-200) elősegítették a transzpozonok („ugráló gének”) felfedezését. Számos DNS-markerét feltérképezték, genomját szekvenálták. (Genetika, molekuláris biológia, mezőgazdaság) Medicago truncatula, pillangós modellszervezet, a takarmánylucerna közeli rokona. Kis méretű genomja jelenleg szekvenálás alatt áll. A nitrogénmegkötésért felelős szimbiotikus kapcsolatát vizsgálják. (Mezőgazdaság, molekuláris biológia) Mimulus vagy bohócvirág, evolúciós és funkcionális genomkutatások modellszervezete. A Scrophulariaceae, újabban a Phrymaceae családba tartozó, valószínűleg nem monofiletikus nemzetség mintegy 120 fajjal. Számos genetikai információforrás létezik a nemzetségről, némelyik ingyenesen hozzáférhető (http://www.mimulusevolution.org ). Dohány BY-2-sejtek, egy dohánynövényből (Nicotiana tabaccum) nyert sejtvonal, szuszpenziós sejtkultúra (különálló sejtek vizsgálatára). Sejtszintű általános növényélettani vizsgálatokra használják fel. Nem ismeretes a fajta szekvenálására irányuló kutatás, de a vad faj, a Nicotiana tabaccum szekvenálása folyamatban van.[Organism] (Sejtbiológia, növényélettan, biotechnológia) Rizs (Oryza sativa) a gabonafélék modellszervezete. A gabonafajok között az egyik legkisebb genommal rendelkezik, melyet már szekvenáltak. (Mezőgazdaság, molekuláris biológia) Physcomitrella patens, egy valódi lombosmoha, amit a növények fejlődésének és molekuláris evolúciójának vizsgálatában használnak. Idáig az egyetlen nem edényes, primitív szárazföldi növény, aminek a genomját teljesen szekvenálták. Továbbá, jelenleg ez az egyetlen szárazföldi növény, amihez hatékony gene targeting (géntargeting) eljárást fejlesztettek ki, ami lehetővé teszi a génkiütést (gene knock-out).Ralf Reski (1998): Physcomitrella and Arabidopsis: the David and Goliath of reverse genetics. In: Trends in Plant Science. 3:209-210. doi:10.1016/S1360-1385(98)01257-6 Az eredményül kapott „knock-out mohákat” az International Moss Stock Center tárolja és szállítja. (Növényélettan, evolúciós biológia, molekuláris genetika, molekuláris biológia) Nyárfa (Populus), fás szárú növénynemzetség, amit erdőgenetikai és fás szárú növényekkel foglalkozó kísérletekben használnak. Genomja kisméretű, gyorsan megnő, és könnyen transzformálható. A szőröstermésű nyár (Populus trichocarpa) genomszekvenciája nyilvánosan hozzáférhető.
Állatok
Gerinctelenek bélyeg|Caenorhabditis elegans Arbacia punctulata, lila tüskés tengerisün, az embriológiai kutatások klasszikus alanya Aplysia, egy tengeri csiga, tintakibocsátása alapján neurobiológiai modell, növekedési kúpjait pedig a sejtváz átrendeződéseivel kapcsolatban vizsgálják.