Průměrná myš, stejně jako průměrný člověk, je domovem bilionů bakterií a virů. Průměrná myš v gnotobiotickém zařízení však hostí nulu. Na její kůži, v nozdrách ani ve střevech nežijí žádné bakterie. Její potrava a voda – dokonce i podestýlka – se zahřívá na více než 100 °C, aby se zničily bakterie a viry, než se dostanou do klece sterilním a bezpečným systémem dvojitých dveří. To je gnotobiotika; studium organismů, jejichž každý zárodek je pečlivě kontrolován.

V ohradách bez zárodků jsou umístěny myši pro výzkum gnotobiotiky. Obrázek se svolením Národního institutu pro alergie a infekční choroby.

V biologii je běžným způsobem studia části systému jeho odstranění – vědci často porovnávají knockoutované varianty s divokým typem zvířat, aby mohli studovat účinky odstranění konkrétních genů. Pro vědce studující vliv bakterií na zdraví a nemoci bylo logickým krokem – před více než půl stoletím – položit si otázku, co by se stalo, kdyby zvíře prožilo svůj život zcela bez kontaktu s mikroorganismy. V roce 1959 už vědci chovali myši, potkany, morčata a kuřata bez zárodků uvnitř sterilních nerezových a plastových krytů (1).

Ve většině ohledů se dnešní metody chovu gnotobiotických zvířat od 50. let 20. století příliš nezměnily. Chceme-li založit kolonii bez zárodků, musíme mládě vyjmout z matčina lůna pečlivým chirurgickým zákrokem, abychom ho nevystavili mikroorganismům v matčině pochvě a kůži. Poté je zvíře chováno ve sterilní kleci a vystaveno pouze potravě, vodě a dalšímu vybavení, které bylo rovněž sterilizováno. Každý týden – nebo i častěji – provádí technik stěry klecí a výkalů zvířat, aby se ujistil, že sterilní ustájení nebylo kontaminováno žádnými bakteriemi. Jakmile je kolonie vytvořena, je snazší chovat nová zvířata bez bakterií; matka bez bakterií může rodit přirozenou cestou, aniž by své novorozence vystavila jakýmkoli bakteriím.

Mít gnotobiotická zvířata nedává vědcům jen možnost porovnávat jedince bez bakterií s jedinci chovanými normálně. Zvířata bez zárodků také dávají laboratoři možnost zavést jeden – nebo několik málo – mikroorganismů najednou a pozorovat je v jednodušším prostředí, než je rušná metropole mikrobiomu. V polovině 60. let 20. století začal Russell Schaedler z Rockefellerovy univerzity provádět tyto pokusy, vytvářel různé směsi bakterií, studoval, jak každá z nich kolonizuje střeva myší, které byly předtím bez zárodků (2), a rozesílal takzvanou „Schaedlerovu flóru“ do laboratoří po celém světě.

Dnes si vědci uvědomili – částečně díky mnoha raným studiím na gnotobiotických zvířatech – že mikrobiom organismu nepomáhá pouze trávit potravu. Myši, které jsou chovány bez mikrobů, mají změněný imunitní systém, srdce, plíce, lymfatické uzliny, metabolismus, a dokonce i reprodukční schopnosti. V roce 2011 studie zjistila, že myši bez bakterií vykazovaly změněné vzorce vývoje mozku a chování: pokud byly myši vystaveny směsi bakterií, změny se vrátily k normálu (3). V roce 2013 tým vědců zjistil, že pokud se vzorek střevní mikroflóry obézního člověka vloží do myši bez bakterií – aniž by se změnila její strava -, myš přibere na váze. Pokud byl místo toho vzorek mikrobioty ze štíhlého člověka, k přibírání na váze nedošlo (4).

Jelikož význam komenzálních bakterií a virů – těch, které svému hostiteli neškodí – je stále jasnější, zůstávají gnotobiotická zvířata klíčovým nástrojem pro studium interakcí mezi mikrobiotou a organismem. Ačkoli člověka nelze chovat bez zárodků, lze vzorky lidských střevních mikrobů přenést do myší a vytvořit tak střevní podmínky podobné lidským (5). Vědci nyní disponují množstvím technologií, které jim pomáhají pochopit molekulární základy vazeb mezi mikrobiomy a fyziologií. Mohou používat vysoce výkonné genetické a molekulární screeningové techniky a porovnávat myši bez zárodků s těmi, které mají ve střevech pouze určité vnesené bakterie, nebo s kompletní menažerií mikrobioty (6). Také myši s libovolnými požadovanými geny nebo genovými mutacemi lze chovat bez zárodků a testovat, jak se daný gen může podílet na vzniku nebo kontrole mikrobiomu.

Největší otázky ve studiu mikrobiomu – jak se zakládají a udržují kolonie mikroorganismů, jak ovlivňují svého hostitele a jak hostitel utváří populace zárodků – se opírají o gnotobiotická zvířata jako nástroj pro pokrok v této oblasti.