Przeciętna mysz, podobnie jak przeciętny człowiek, jest domem dla bilionów bakterii i wirusów. Przeciętna mysz w ośrodku gnotobiotycznym jest jednak gospodarzem zera. Żadne zarazki nie żyją na jej skórze, w jej nozdrzach, czy w jej jelitach. Jej jedzenie i woda – a nawet pościel – są podgrzewane do temperatury ponad 100°C w celu zabicia bakterii i wirusów, zanim zostaną dostarczone do jej klatki przez sterylny, odporny na awarie system podwójnych drzwi. To jest gnotobiotyka; badanie organizmów, których każdy zarazek jest dokładnie kontrolowany.
W pomieszczeniach bez zarodków trzymane są myszy do badań gnotobiotycznych. Zdjęcie dzięki uprzejmości National Institute of Allergy and Infectious Diseases.
W biologii powszechnym sposobem badania części systemu jest jego usunięcie – naukowcy często porównują warianty nokautujące ze zwierzętami typu dzikiego, aby zbadać skutki usunięcia określonych genów. Dla naukowców badających wpływ bakterii na zdrowie i choroby, logicznym krokiem – ponad pół wieku temu – było zapytanie, co by się stało, gdyby zwierzę żyło przez całe życie zupełnie nie narażone na działanie mikroorganizmów. Do 1959 roku badacze hodowali wolne od zarazków myszy, szczury, świnki morskie i kurczęta w sterylnych obudowach ze stali nierdzewnej i plastiku (1).
Na większość sposobów dzisiejsze metody hodowli zwierząt gnotobiotycznych nie zmieniły się wiele od lat 50. Aby założyć kolonię wolną od zarazków, należy usunąć młode zwierzę z łona matki, poddając je starannej procedurze chirurgicznej w celu uniknięcia narażenia go na kontakt z mikroorganizmami znajdującymi się w pochwie i skórze matki. Następnie, zwierzę jest hodowane w sterylnej klatce i ma kontakt tylko z pożywieniem, wodą i innym sprzętem, który również został wysterylizowany. Co tydzień – lub częściej – technik wymazuje klatki i odchody zwierząt, aby upewnić się, że żadne bakterie nie zanieczyściły sterylnych pomieszczeń. Po stworzeniu kolonii łatwiej jest hodować nowe, wolne od zarazków zwierzęta; wolna od zarazków matka może rodzić naturalnie, nie narażając noworodków na kontakt z bakteriami.
Posiadanie zwierząt gnotobiotycznych nie tylko daje naukowcom możliwość porównania osobników wolnych od zarazków z osobnikami normalnie hodowanymi. Zwierzęta pozbawione zarazków dają również laboratorium możliwość wprowadzenia jednego lub kilku mikroorganizmów na raz i przyjrzenia się im w prostszym środowisku niż tętniąca życiem metropolia mikrobiomu. W połowie lat 60. Russell Schaedler z Uniwersytetu Rockefellera zaczął przeprowadzać takie eksperymenty, tworząc różne mieszanki bakterii, badając, jak każda z nich kolonizuje jelita myszy pozbawionych wcześniej zarazków (2), i rozprowadzając tak zwaną „florę Schaedlera” do laboratoriów na całym świecie.
Dziś naukowcy zdali sobie sprawę – częściowo dzięki wielu wczesnym badaniom zwierząt gnotobiotycznych – że mikrobiom organizmu nie tylko pomaga mu trawić pokarm. Myszy hodowane bez drobnoustrojów mają zmienione układy odpornościowe, serca, płuca, węzły chłonne, metabolizm, a nawet zdolności reprodukcyjne. W 2011 r. w jednym z badań stwierdzono, że myszy pozbawione zarazków wykazywały zmienione wzorce rozwoju mózgu i zachowania: jeśli myszy zostały wystawione na działanie mieszaniny bakterii, zmiany wracały do normy (3). W 2013 r. zespół badaczy odkrył, że jeśli próbka mikrobioty jelitowej otyłego człowieka zostanie umieszczona w wolnej od zarazków myszy – bez zmian w jej diecie – mysz przybierze na wadze. Jeśli próbka mikrobioty pochodziła od szczupłego człowieka, przyrost masy ciała nie wystąpił (4).
Jak znaczenie bakterii komensalnych i wirusów – tych, które nie szkodzą swojemu gospodarzowi – staje się coraz jaśniejsze, zwierzęta gnotobiotyczne pozostają kluczowym narzędziem do badania interakcji między mikrobiotą a ciałem. Chociaż ludzie nie mogą być hodowani bez zarazków, próbki ludzkiego mikrobiomu jelitowego mogą być przenoszone na myszy w celu stworzenia warunków jelitowych podobnych do ludzkich (5). Naukowcy dysponują obecnie wieloma technologiami, które pomagają im zrozumieć molekularne podstawy powiązań mikrobiomu z fizjologią. Mogą oni wykorzystać wysokowydajne genetyczne i molekularne techniki przesiewowe, aby porównać myszy pozbawione zarazków z tymi, które mają w swoich jelitach tylko określone, wprowadzone bakterie lub z pełną menażerią mikrobioty (6). Również myszy z dowolnymi pożądanymi genami lub mutacjami genów mogą być hodowane bez zarodków, aby sprawdzić, w jaki sposób gen może być zaangażowany w ustanowienie lub kontrolowanie mikrobiomu.
Największe pytania w badaniu mikrobiomu – jak kolonie mikroorganizmów są ustanawiane i utrzymywane, jak wpływają na gospodarza i jak gospodarz kształtuje populacje drobnoustrojów – wszystkie polegają na zwierzętach gnotobiotycznych jako narzędziu do rozwoju dziedziny.
.