Az átlagos egér, akárcsak az átlagos ember, baktériumok és vírusok trillióinak ad otthont. A gnotobiotikus létesítményben lévő átlagos egér azonban nullának ad otthont. Sem a bőrén, sem az orrlyukaiban, sem a beleiben nem élnek baktériumok. Az ételét és a vizét – még az ágyneműjét is – több mint 100 °C-ra melegítik, hogy elpusztítsák a baktériumokat és vírusokat, mielőtt a ketrecébe juttatják egy steril, hibabiztos, duplaajtós rendszeren keresztül. Ez a gnotobiotika; olyan organizmusok tanulmányozása, amelyek minden baktériumát gondosan ellenőrzik.

A gnotobiotikai kutatásokhoz egereket tartanak csíramentes ketrecekben. A kép a National Institute of Allergy and Infectious Diseases jóvoltából.

A biológiában egy rendszer egy részének tanulmányozására gyakori módszer, hogy eltávolítják azt – a tudósok gyakran hasonlítják össze a knockout-változatokat a vad típusú állatokkal, hogy tanulmányozzák az egyes gének eltávolításának hatásait. A baktériumok egészségre és betegségekre gyakorolt hatását vizsgáló tudósok számára logikus lépés volt – több mint fél évszázaddal ezelőtt -, hogy megkérdezzék, mi történne, ha egy állat élete során nem lenne kitéve mikroorganizmusoknak. 1959-ben a kutatók már csíramentes egereket, patkányokat, tengerimalacokat és csibéket neveltek steril rozsdamentes acél- és műanyagházakban (1).

A legtöbb szempontból a gnotobiotikus állatok tartásának mai módszerei nem sokat változtak az 1950-es évek óta. Ahhoz, hogy csíramentes kolóniát indítsunk, a fiatal állatot gondos sebészeti eljárással ki kell venni az anyaméhből, hogy ne tegyük ki az anya hüvelyében és bőrében lévő mikroorganizmusoknak. Ezután az állatot steril ketrecben nevelik fel, és csak olyan táplálékkal, vízzel és egyéb felszerelésekkel érintkezik, amelyeket szintén sterilizáltak. Heti rendszerességgel – vagy gyakrabban – egy technikus ellenőrzi a ketreceket és az állatok ürülékét, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a steril tartási helyeket nem fertőzték meg baktériumok. Miután a kolónia létrejött, könnyebbé válik az új, csíramentes állatok felnevelése; a csíramentes anya természetes úton szülhet anélkül, hogy újszülöttjeit bármilyen baktériumnak kitenné.

A gnotobiotikus állatok tartása nem csak azt teszi lehetővé a kutatók számára, hogy összehasonlítsák a csíramentes egyedeket a normálisan nevelt egyedekkel. A csíramentes állatok azt is lehetővé teszik a laboratórium számára, hogy egyszerre egy – vagy néhány – mikroorganizmust vezessenek be, és a mikrobiom nyüzsgő metropoliszánál egyszerűbb környezetben vizsgálják meg őket. Az 1960-as évek közepén Russell Schaedler, a Rockefeller Egyetem munkatársa elkezdte ezeket a kísérleteket, különböző baktériumkeverékeket hozott létre, tanulmányozta, hogy ezek hogyan telepedtek meg a korábban csíramentes egerek bélrendszerében (2), és az úgynevezett “Schaedler-flórát” szétosztotta a világ laboratóriumaiban.

Mára a kutatók rájöttek – részben a gnotobiotikus állatokon végzett számos korai vizsgálatnak köszönhetően -, hogy egy szervezet mikrobiomja nem csak az étel megemésztésében segít. A csíramentesen nevelt egerek immunrendszere, szíve, tüdeje, nyirokcsomói, anyagcseréje, sőt szaporodási képessége is megváltozott. 2011-ben egy tanulmány megállapította, hogy a csíramentes egerek megváltozott agyfejlődési és viselkedési mintázatot mutattak: ha az egereket baktériumok keverékének tették ki, a változások visszaálltak a normális szintre (3). 2013-ban egy kutatócsoport felfedezte, hogy ha egy elhízott ember bélmikrobiótájának mintáját egy csíramentes egérbe helyezik – az egér étrendjének változatlanul hagyásával -, az egér hízni fog. Ha a mikrobióta-mintát ehelyett egy sovány emberből vették, a súlygyarapodás nem következett be (4).

Mivel egyre világosabbá válik a kommenzális baktériumok és vírusok – azok, amelyek nem ártanak a gazdaszervezetüknek – jelentősége, a gnotobiotikus állatok továbbra is kulcsfontosságú eszközei a mikrobióta és a szervezet közötti kölcsönhatások tanulmányozásának. Bár az embereket nem lehet csíramentesen nevelni, az emberi bélmikrobiom mintái átvihetők egerekbe, hogy emberhez hasonló bélkörülményeket teremtsenek (5). A kutatók ma már rengeteg olyan technológiával rendelkeznek, amelyek segítenek megérteni a mikrobiom-fiziológiai kapcsolatok molekuláris alapjait. Nagy áteresztőképességű genetikai és molekuláris szűrési technikákkal össze tudják hasonlítani a csíramentes egereket azokkal az egerekkel, amelyek bélrendszerében csak bizonyos, behurcolt baktériumok vannak, vagy azokkal, amelyekben a mikrobióta teljes tárháza megtalálható (6). Emellett tetszőleges génekkel vagy génmutációkkal rendelkező egereket is fel lehet nevelni csíramentes állatokkal, hogy teszteljék, hogy egy gén milyen szerepet játszhat a mikrobiom létrehozásában vagy szabályozásában.

A mikrobiom tanulmányozásának legnagyobb kérdései – hogyan jönnek létre és maradnak fenn a mikroorganizmusok kolóniái, hogyan hatnak a gazdatestre, és hogyan alakítja a gazdatest a csírapopulációkat – mind a gnotobiotikus állatokra, mint a terület fejlődésének eszközére támaszkodnak.