In de vroege dagen van de moleculaire biologie werd veel onderzoek verricht aan de bacterie E. coli. Deze algemeen voorkomende darmbacterie stelt niet veel eisen aan de omgeving en groeit snel in een eenvoudig voedingsmedium. Basale principes van de biologische wetenschap – bijvoorbeeld hoe het DNA zich kopieert en hoe de DNA-code gelezen wordt om eiwitten te maken – werden oorspronkelijk opgehelderd in experimenten met E. coli.^[2] Deze mechanismen zijn vrijwel universeel geconserveerd in de evolutie, wat wil zeggen dat ze ook gelden in alle andere vormen van leven, inclusief de mens.

Virussen die deze bacterie infecteren, zogenaamde bacteriofagen, zijn eveneens van groot belang geweest in vroeg moleculair onderzoek. De bacteriofaag-λ en de bacteriofaag T4 konden, dankzij hun kleine en compacte genomen, relatief makkelijk ontcijferd en gemanipuleerd worden. Vanaf de jaren 1970 werden hierdoor de eerste genen ontdekt die coderen voor de replicatie van het virale DNA. Zo kon het principe van DNA-replicatie opgehelderd worden.^[3]

Bacteriën spelen nog steeds een cruciale rol als gastheerorganisme in de biotechnologie en microbiologie.^[4] Onderzoekers gebruiken E. coli bijvoorbeeld routinematig om een gewenst stukje DNA te kloneren. Hiervoor zijn speciale laboratoriumstammen ontwikkeld. De bacterie is een standaardsysteem voor de productie (expressie) van recombinante eiwitten.

Om de werking van de eukaryotische cel te onderzoeken, maken wetenschappers graag gebruik van een kleine eencellige eukaryoot, de bakkersgist Saccharomyces cerevisiae. Deze soort wordt al duizenden jaren door de mens toegepast bij het brouwen van bier en het bereiden van brood. S. cerevisiae behoort tot het rijk van de schimmels, en lijkt qua genoom meer op dieren dan op planten.^[5] Net als andere schimmels heeft de gist een chitineuze celwand en beschikt over mitochondriën voor energieproductie.

Het genoom van de gist S. cerevisiae is, naar eukaryotische maatstaven, uitzonderlijk klein. Dankzij uitgebreid onderzoek aan gistcellen zijn mechanismen ontdekt die uniek zijn voor eukaryoten, zoals de celdelingscyclus (de processen waarbij de kern en alle andere componenten van een cel worden verdubbeld en verdeeld over de twee dochtercellen) en meiose (het proces waarbij de voortplantingscellen van een organisme worden gevormd). Ook zijn inzichten in de eukaryotische chromosoomstructuur, de interne organisatie van de celkern, de mechanismen van eiwitsecretie en de werking van signaaltransductieroutes, grotendeels voortgekomen uit onderzoek aan gisten. De processen zijn zo fundamenteel dat ze vaak op precies dezelfde manieren opgaan in menselijke cellen.^[6]

Bij de experimentele plantkunde is ervoor gekozen het onderzoek te concentreren op de zandraket (Arabidopsis thaliana), een vertegenwoordiger van de kruisbloemenfamilie.^[7] Deze kleine, geharde plant is relatief eenvoudig te kweken, en een volgroeid individu kan duizenden nakomelingen opleveren. De plant is een zelfbestuiver, waardoor de erfelijke eigenschappen zonder wijzigingen aan het nageslacht worden doorgegeven. Dit maakt de soort geschikt voor genetische analyse.

De zandraket was de eerste plant waarvan het volledige genoom werd bepaald. Het genoom is relatief compact, met slechts 135 miljoen basenparen en weinig repetitief DNA. Alle belangrijke genen zijn in kaart gebracht, en duizenden mutante exemplaren van de plant zijn commercieel verkrijgbaar. Voor de veredeling van gewassen is de genetische beïnvloeding en screening van dergelijke mutanten buitengewoon belangrijk.

Onderzoek aan de zandraket heeft geleid tot detailkennis van vrijwel alle moleculaire processen in planten. Men heeft met behulp van deze modelplant onder andere licht geworpen op de mechanismen van bloemontwikkeling (en de coördinatie ervan met het jaargetijde), het vermogen van planten om naar het licht te groeien, de regulering van groei door middel van hormonen, en het speciale afweersysteem waarmee de plant ziekteverwekkers tegenhoudt.^[8]

Caenorhabditis elegans was het eerste dier, tevens het eerste meercellige organisme, waarvan het genoom volledig werd bepaald. C. elegans is een kleine, vrijlevende rondworm met een levenscyclus van slechts enkele dagen. Deze microscopisch kleine worm kan voor lange tijd worden opgeslagen in een vriezer zonder dood te gaan. Zijn transparante lichaam en vermogen tot zelfbevruchting maakt hem geschikt voor microscopische bestudering en genetische manipulatie.

C. elegans heeft enkele doorbraken teweeggebracht in de ontwikkelingsbiologie en moleculaire celbiologie. De rondworm ontwikkelt zich met een precisie die aan het wonderbaarlijke grenst: een bevruchte eicel groeit uit tot een volwassen individu van exact 959 lichaamscellen (en een variabel aantal ei- en zaadcellen). Onderzoekers hebben na vele decennia aan analyse een gedetailleerd beeld van hoe deze ontwikkeling verloopt; hoe en wanneer de cellen delen, bewegen en veranderen onder invloed van specifieke signalen.^[9]

Onderzoek aan C. elegans heeft licht geworpen op de mechanismen van geprogrammeerde celdood (apoptose), zowel in normale ontwikkeling als in de vorming van kanker. Daarnaast heeft de soort een belangrijke rol gespeeld in de ontrafeling van RNA-interferentie, een fundamenteel celproces waarmee bijna alle eukaryotische levensvormen hun genexpressie reguleren.^[9] RNA-interferentie werd met behulp van C. elegans uitgewerkt tot een genetische technologie waarmee onderzoekers genexpressie gericht kunnen stilleggen.

Verder is er toenemende toepassing in milieu- en nanotoxicologie. De worm wordt ingezet om effecten van pesticiden, zware metalen, microplastics en andere stoffen te screenen, inclusief cumulatieve en subletale effecten over meerdere generaties.^[10]

De bananenvlieg Drosophila melanogaster neemt een unieke plaats in binnen de geschiedenis van de genetica en geldt als het oudste dierlijke modelorganisme. De beginselen van de klassieke genetica zijn voor een belangrijk deel terug te voeren op deze kleine insectensoort.^[11]

Al ruim een eeuw geleden leverde onderzoek aan Drosophila doorslaggevend bewijs dat genen – destijds nog abstracte eenheden van erfelijkheid – fysiek gelokaliseerd zijn op chromosomen. Deze conclusie was mogelijk dankzij een bijzonder kenmerk van de fruitvlieg: de aanwezigheid van zeer grote chromosomen in bepaalde cellen, met een karakteristiek bandpatroon dat zichtbaar is onder de lichtmicroscoop.^[11] Veranderingen in erfelijke eigenschappen, zichtbaar in afwijkende dieren, bleken exact te correleren met het verdwijnen of veranderen van specifieke banden in deze chromosomen.

Vervolgonderzoek aan bananenvliegen maakte duidelijk hoe genetische informatie wordt vertaald naar de ruimtelijke organisatie van een meercellig lichaam. Mutanten waarin lichaamsdelen verkeerd gepositioneerd of misvormd zijn, wezen aan welke genen belangrijk zijn voor de correcte aanleg van het lichaam.^[12] Nadat deze genen gevonden waren, konden wetenschappers de homologe genen in gewervelden opsporen en testen (bijvoorbeeld door muizen te analyseren waarin deze genen uitgeschakeld waren). De resultaten hiervan hebben een opmerkelijke gelijkenis aangetoond in de moleculaire mechanismen die de ontwikkeling van insecten en gewervelden sturen. Het vakgebied dat zich bezighoudt met deze principes wordt evo-devo genoemd.

• Bacteriën: Escherichia coli en Mycobacterium smegmatis
• Een gist: Biergist (Saccharomyces cerevisiae)
• Een amoebe: Dictyostelium discoideum

• Bananenvlieg of fruitvlieg (Drosophila melanogaster)
• Rondworm (Caenorhabditis elegans)
• Huismuis (Mus musculus)
• Bruine rat (Rattus norvegicus)
• Kip (Gallus gallus domesticus)
• Klauwkikker (Xenopus laevis)
• Zebravis (Danio rerio)
• Zakpijpen (Ascidiacea)
• Watervlooien (Daphnia)
• Resusaap (Macaca mulatta)
• Oryzias latipes, een vis

• Zandraket (Arabidopsis thaliana)