Keskimääräisessä hiiressä, kuten keskivertoihmisessäkin, elää triljoonia bakteereja ja viruksia. Keskimääräinen hiiri gnotobioottisessa laitoksessa isännöi kuitenkin nollaa. Sen iholla, sieraimissa tai suolistossa ei asu yhtään bakteeria. Sen ruoka ja vesi – jopa vuodevaatteet – kuumennetaan yli 100 °C:een bakteerien ja virusten tappamiseksi, ennen kuin ne toimitetaan sen häkkiin steriilin, vikasietoisen pariovijärjestelmän kautta. Tämä on gnotobiotiikkaa; sellaisten organismien tutkimista, joiden jokainen bakteeri on tarkoin valvottu.

Bakteerittomissa koteloissa pidetään hiiriä gnotobioottisessa tutkimuksessa. Image courtesy of the National Institute of Allergy and Infectious Diseases.

Biologiassa yleinen tapa tutkia järjestelmän osaa on poistaa se – tutkijat vertailevat usein knockout-variantteja villiintyneisiin eläimiin tutkiakseen tiettyjen geenien poistamisen vaikutuksia. Tutkijoille, jotka tutkivat bakteerien vaikutuksia terveyteen ja sairauksiin, oli loogista – yli puoli vuosisataa sitten – kysyä, mitä tapahtuisi, jos eläin eläisi elämänsä täysin ilman mikro-organismeja. Vuoteen 1959 mennessä tutkijat kasvattivat bakteerittomia hiiriä, rottia, marsuja ja poikasia steriileissä ruostumattomasta teräksestä ja muovista valmistetuissa koteloissa (1).

Tämän päivän gnotioottisten eläinten pitomenetelmät eivät ole juurikaan muuttuneet 1950-luvun jälkeen. Bakteerittoman pesäkkeen perustamiseksi nuori eläin on poistettava emonsa kohdusta huolellisella kirurgisella toimenpiteellä, jotta se ei altistuisi emon emättimessä ja ihossa oleville mikro-organismeille. Sen jälkeen eläin kasvatetaan steriilissä häkissä, ja se altistetaan vain ruoalle, vedelle ja muille välineille, jotka on myös steriloitu. Viikoittain – tai useammin – teknikko pyyhkii häkit ja eläinten ulosteet varmistaakseen, että bakteerit eivät ole saastuttaneet steriiliä säilytystilaa. Kun kolonia on luotu, on helpompaa kasvattaa uusia bakteerittomia eläimiä; bakteeriton emo voi synnyttää luonnollisesti altistamatta vastasyntyneitä bakteereille.

Gnotioottisten eläinten pitäminen ei ainoastaan anna tutkijoille mahdollisuuden verrata bakteerittomia yksilöitä normaalisti kasvatettuihin yksilöihin. Bakteerittomat eläimet antavat laboratoriolle myös mahdollisuuden ottaa käyttöön yhden – tai muutaman – mikro-organismin kerrallaan ja tarkastella niitä yksinkertaisemmassa ympäristössä kuin mikrobiomin vilkkaassa metropolissa. 1960-luvun puolivälissä Russell Schaedler Rockefellerin yliopistosta alkoi tehdä näitä kokeita luomalla erilaisia bakteerisekoituksia, tutkimalla, miten kukin niistä kolonisoi aiemmin bakteereista vapaiden hiirten suolistoa (2), ja jakamalla niin sanottua ”Schaedler-floraa” laboratorioihin eri puolilla maailmaa.

Tänä päivänä tutkijat ovat tajunneet – osittain monien varhaistutkimusten ansiosta, jotka on tehty gnotioottisilla eläimillä -, että eliön mikrobiomi ei auta sitä vain ruoan sulattamisessa. Keimattomiksi kasvatetuilla hiirillä on muuttunut immuunijärjestelmä, sydän, keuhkot, imusolmukkeet, aineenvaihdunta ja jopa lisääntymiskyky. Vuonna 2011 tehdyssä tutkimuksessa havaittiin, että bakteerittomien hiirten aivojen kehitys- ja käyttäytymismallit olivat muuttuneet: jos hiiret altistettiin bakteerien sekoitukselle, muutokset palautuivat normaaliksi (3). Vuonna 2013 tutkijaryhmä havaitsi, että jos näyte lihavan ihmisen suolistomikrobistosta laitetaan bakteerittomaan hiireen – ilman muutoksia hiiren ruokavalioon – hiiri lihoo. Jos mikrobiota-näyte sen sijaan otettiin laihasta ihmisestä, painonnousua ei tapahtunut (4).

Mikäli kommensaalisten bakteerien ja virusten – eli niiden, jotka eivät vahingoita isäntäänsä – merkitys selkiytyy yhä selvemmin, gnotobioottiset eläimet ovat edelleen keskeinen väline mikrobiston ja elimistön välisten vuorovaikutussuhteiden tutkimisessa. Vaikka ihmistä ei voida kasvattaa bakteerittomana, näytteitä ihmisen suolistomikrobiomista voidaan siirtää hiiriin, jotta voidaan luoda ihmisen kaltaiset suolisto-olosuhteet (5). Tutkijoilla on nyt käytössään lukuisia tekniikoita, jotka auttavat heitä ymmärtämään mikrobiomin ja fysiologian välisten yhteyksien molekulaarisia perusteita. He voivat käyttää suuritehoisia geneettisiä ja molekulaarisia seulontatekniikoita vertaillakseen bakteerittomia hiiriä hiiriin, joiden suolistossa on vain tiettyjä, siirrettyjä bakteereja, tai hiiriin, joiden suolistossa on koko mikrobisto (6). Myös hiiret, joilla on haluttuja geenejä tai geenimutaatioita, voidaan kasvattaa itiövapaiksi, jotta voidaan testata, miten geeni voi olla mukana mikrobiomin muodostumisessa tai kontrolloinnissa.

Mikrobiomin tutkimuksen suurimmat kysymykset – miten mikro-organismien yhdyskunnat muodostuvat ja pysyvät yllä, miten ne vaikuttavat isäntäänsä ja miten isäntä muokkaa bakteeripopulaatioita – nojautuvat itiövapaisiin eläimiin apuvälineenä alan edistämisessä.