Den gennemsnitlige mus, ligesom det gennemsnitlige menneske, er hjemsted for billioner af bakterier og vira. Den gennemsnitlige mus i et gnotobiotisk anlæg er derimod vært for nul. Der lever ingen bakterier på dens hud, i dens næsebor eller i dens tarm. Dens mad og vand – selv dens sengetøj – opvarmes til over 100 °C for at dræbe bakterier og vira, inden det leveres til dens bur gennem et sterilt, fejlsikkert system af dobbeltdøre. Dette er gnotobiotik; studiet af organismer, hvis alle kim er nøje kontrolleret.

Kimfrie indhegninger huser mus til gnotobiotisk forskning. Billedet er venligst udlånt af National Institute of Allergy and Infectious Diseases.

I biologien er en almindelig måde at studere en del af et system på at fjerne det – forskere sammenligner ofte knockout-varianter med dyr af vild type for at studere virkningerne af at fjerne specifikke gener. For forskere, der studerer virkningerne af bakterier på sundhed og sygdom, var det et logisk skridt – for mere end et halvt århundrede siden – at spørge, hvad der ville ske, hvis et dyr levede sit liv helt uden at være udsat for mikroorganismer. I 1959 opdrættede forskere bakteriefri mus, rotter, marsvin og kyllinger i sterile huse af rustfrit stål og plastik (1).

På de fleste måder har de metoder, der i dag anvendes til at holde gnotobiotiske dyr, ikke ændret sig meget siden 1950’erne. For at starte en bakteriefri koloni skal man fjerne et ungt dyr fra moderens livmoder gennem et omhyggeligt kirurgisk indgreb for at undgå at udsætte det for mikroorganismerne i moderens vagina og hud. Derefter opfostres dyret i et sterilt bur og udsættes kun for mad, vand og andet udstyr, som også er blevet steriliseret. Hver uge – eller oftere – skraber en tekniker burene og dyrenes afføring for at sikre, at ingen bakterier har forurenet de sterile boliger. Når først kolonien er blevet oprettet, bliver det lettere at opdrætte nye bakteriefri dyr; en bakteriefri mor kan føde naturligt uden at udsætte sine nyfødte for bakterier.

Det at have gnotobiotiske dyr giver ikke kun forskerne mulighed for at sammenligne bakteriefri individer med normalt opdrættede individer. Keimfrie dyr giver også et laboratorium mulighed for at indføre en – eller nogle få – mikroorganismer ad gangen og se på dem i et mere simpelt miljø end mikrobiomets travle metropol. I midten af 1960’erne begyndte Russell Schaedler fra Rockefeller University at foretage disse eksperimenter, idet han skabte forskellige blandinger af bakterier, undersøgte, hvordan de hver især koloniserede tarmene på tidligere bakteriefri mus (2) og distribuerede den såkaldte “Schaedler-flora” til laboratorier over hele verden.

I dag har forskerne indset – til dels på grund af mange tidlige undersøgelser af gnotobiotiske dyr – at en organismes mikrobiom ikke kun hjælper den med at fordøje maden. Mus, der er opdrættet uden bakterier, har ændrede immunsystemer, hjerter, lunger, lymfeknuder, stofskifte og endda reproduktionsevner. I 2011 viste en undersøgelse, at bakteriefri mus viste ændrede mønstre for hjernens udvikling og adfærd: Hvis musene blev udsat for en blanding af bakterier, vendte ændringerne tilbage til det normale (3). I 2013 opdagede et forskerhold, at hvis en prøve af tarmmikrobiotaen fra et overvægtigt menneske blev puttet i en bakteriefri mus – uden ændringer i musens kost – ville musen tage på i vægt. Hvis mikrobiotaprøven i stedet blev taget fra et magert menneske, opstod vægtforøgelsen ikke (4).

Da betydningen af kommensale bakterier og vira – dem, der ikke skader deres vært – bliver stadig tydeligere, er gnotobiotiske dyr fortsat et vigtigt redskab til at studere samspillet mellem mikrobiotaen og kroppen. Selv om mennesker ikke kan opdrættes bakteriefrit, kan prøver af menneskelige tarmmikrobiomer overføres til mus for at skabe menneskelignende tarmforhold (5). Forskere har nu et væld af teknologier, der hjælper dem med at forstå de molekylære underliggende faktorer for forbindelserne mellem mikrobiom og fysiologi. De kan bruge genetiske og molekylære screeningsteknikker med høj kapacitet til at sammenligne bakteriefri mus med mus, der kun har bestemte, indførte bakterier i tarmene, eller mus med et komplet menageri af mikrobiota (6). Desuden kan mus med alle ønskede gener eller genmutationer opdrættes bakteriefri for at teste, hvordan et gen kan være involveret i etableringen eller kontrollen af mikrobiomet.

De største spørgsmål i studiet af mikrobiomet – hvordan kolonier af mikroorganismer etableres og vedligeholdes, hvordan de påvirker deres vært, og hvordan værten former populationerne af bakterier – er alle afhængige af gnotobiotiske dyr som et værktøj til at fremme feltet.