Il topo medio, come l’uomo medio, ospita trilioni di batteri e virus. Il topo medio in una struttura gnotobiotica, tuttavia, ospita zero. Nessun germe vive sulla sua pelle, nelle sue narici o nel suo intestino. Il suo cibo e l’acqua – persino la sua biancheria da letto – sono riscaldati a più di 100 °C per uccidere batteri e virus prima di essere consegnati alla gabbia attraverso un sistema sterile e a prova di errore di doppie porte. Questa è la gnotobiotica; lo studio di organismi il cui ogni germe è attentamente controllato.

Germ-free enclosures house mice for gnotobiotic research. Immagine per gentile concessione del National Institute of Allergy and Infectious Diseases.

In biologia, un modo comune per studiare parte di un sistema è quello di rimuoverlo – gli scienziati spesso confrontano varianti knockout con animali wild-type per studiare gli effetti della rimozione di geni specifici. Per gli scienziati che studiano gli effetti dei batteri sulla salute e la malattia, è stato un passo logico – più di mezzo secolo fa – chiedere cosa accadrebbe se un animale vivesse la sua vita completamente non esposto ai microrganismi. Nel 1959, i ricercatori stavano allevando topi, ratti, porcellini d’India e pulcini senza germi all’interno di alloggiamenti sterili in acciaio inossidabile e plastica (1).

Nella maggior parte dei casi, i metodi odierni per tenere animali gnotobiotici non sono cambiati molto dagli anni ’50. Per iniziare una colonia senza germi, si deve rimuovere un giovane animale dal grembo della madre attraverso un’attenta procedura chirurgica per evitare di esporlo ai microrganismi presenti nella vagina e nella pelle della madre. Poi, l’animale viene allevato in una gabbia sterile ed esposto solo a cibo, acqua e altre attrezzature che sono state sterilizzate. Settimanalmente, o più spesso, un tecnico pulisce le gabbie e le feci dell’animale per assicurarsi che nessun batterio abbia contaminato l’alloggiamento sterile. Una volta creata la colonia, diventa più facile allevare nuovi animali senza germi; una madre senza germi può partorire naturalmente senza esporre i suoi neonati a nessun batterio.

Avere animali gnotobiotici non dà solo ai ricercatori la possibilità di confrontare individui senza germi con quelli allevati normalmente. Gli animali senza germi danno anche al laboratorio la possibilità di introdurre uno o pochi microrganismi alla volta e di osservarli in un ambiente più semplice della vivace metropoli del microbioma. A metà degli anni ’60, Russell Schaedler della Rockefeller University iniziò a intraprendere questi esperimenti, creando diverse miscele di batteri, studiando come ciascuno di essi colonizzava l’intestino di topi precedentemente privi di germi (2), e distribuendo la cosiddetta “flora di Schaedler” ai laboratori di tutto il mondo.

Oggi, i ricercatori hanno capito – in parte grazie a molti studi iniziali sugli animali gnotobiotici – che il microbioma di un organismo non lo aiuta solo a digerire il cibo. I topi che sono cresciuti senza germi hanno alterato il sistema immunitario, il cuore, i polmoni, i linfonodi, il metabolismo e anche le capacità riproduttive. Nel 2011, uno studio ha scoperto che i topi senza germi hanno mostrato modelli alterati di sviluppo del cervello e del comportamento: se i topi sono stati esposti a una miscela di batteri, i cambiamenti sono tornati alla normalità (3). Nel 2013, un team di ricercatori ha scoperto che se un campione del microbiota intestinale di un umano obeso è stato messo in un topo privo di germi – senza modifiche alla dieta del mouse – il mouse avrebbe guadagnato peso. Se il campione di microbiota era invece da un umano magro, l’aumento di peso non si è verificato (4).

Come l’importanza di batteri e virus commensali – quelli che non danneggiano il loro ospite – diventa sempre più chiaro, animali gnotobiotici rimangono uno strumento chiave per studiare le interazioni tra il microbiota e il corpo. Anche se gli esseri umani non possono essere allevati senza germi, campioni di microbiomi intestinali umani possono essere trasferiti ai topi per creare condizioni intestinali simili a quelle umane (5). I ricercatori ora hanno una pletora di tecnologie che li aiutano a capire le basi molecolari dei legami microbioma-fisiologia. Possono usare tecniche di screening genetico e molecolare ad alta produttività per confrontare topi privi di germi con quelli che hanno solo particolari batteri introdotti nel loro intestino o quelli con un intero serraglio di microbiota (6). Inoltre, i topi con qualsiasi gene desiderato o mutazioni genetiche possono essere allevati senza germi per testare come un gene possa essere coinvolto nello stabilire o controllare il microbioma.

Le più grandi domande nello studio del microbioma – come le colonie di microrganismi sono stabilite e mantenute, come influenzano il loro ospite e come l’ospite modella le popolazioni di germi – si basano tutte su animali gnotobiotici come strumento per far avanzare il campo.