El ratón medio, como el humano medio, alberga billones de bacterias y virus. El ratón medio en una instalación gnotobiótica, sin embargo, no alberga nada. No hay gérmenes en su piel, en sus fosas nasales o en su intestino. Su comida y su agua -incluso su ropa de cama- se calientan a más de 100 °C para matar las bacterias y los virus antes de ser entregados a su jaula a través de un sistema estéril y a prueba de fallos de puertas dobles. Esto es la gnotobiótica; el estudio de los organismos cuyos gérmenes están cuidadosamente controlados.
Los recintos sin gérmenes albergan ratones para la investigación gnotobiótica. Imagen por cortesía del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas.
En biología, una forma habitual de estudiar parte de un sistema es eliminarlo: los científicos suelen comparar variantes knockout con animales de tipo salvaje para estudiar los efectos de la eliminación de genes específicos. Para los científicos que estudian los efectos de las bacterias en la salud y la enfermedad, era un paso lógico -hace más de medio siglo- preguntarse qué ocurriría si un animal viviera su vida completamente ajeno a los microorganismos. En 1959, los investigadores ya criaban ratones, ratas, cobayas y pollos sin gérmenes dentro de carcasas estériles de acero inoxidable y plástico (1).
En la mayoría de los casos, los métodos actuales para mantener animales gnotobióticos no han cambiado mucho desde la década de 1950. Para iniciar una colonia libre de gérmenes, hay que extraer un animal joven del vientre de su madre mediante un cuidadoso procedimiento quirúrgico para evitar exponerlo a los microorganismos de la vagina y la piel de la madre. A continuación, el animal se cría en una jaula estéril y sólo se expone a la comida, el agua y otros equipos que también han sido esterilizados. Semanalmente -o con más frecuencia- un técnico pasa un hisopo por las jaulas y las heces del animal para asegurarse de que ninguna bacteria ha contaminado el alojamiento estéril. Una vez creada la colonia, resulta más fácil criar nuevos animales sin gérmenes; una madre sin gérmenes puede dar a luz de forma natural sin exponer a sus recién nacidos a ninguna bacteria.
Tener animales gnotobióticos no sólo ofrece a los investigadores la posibilidad de comparar individuos sin gérmenes con otros criados normalmente. Los animales sin gérmenes también ofrecen al laboratorio la posibilidad de introducir uno -o unos pocos- microorganismos a la vez y observarlos en un entorno más sencillo que la bulliciosa metrópolis del microbioma. A mediados de la década de 1960, Russell Schaedler, de la Universidad Rockefeller, comenzó a realizar estos experimentos, creando diferentes mezclas de bacterias, estudiando cómo cada una de ellas colonizaba los intestinos de ratones previamente libres de gérmenes (2), y distribuyendo la llamada «Flora de Schaedler» a laboratorios de todo el mundo.
Hoy en día, los investigadores se han dado cuenta -en parte gracias a muchos de los primeros estudios sobre animales gnotobióticos- de que el microbioma de un organismo no sólo le ayuda a digerir los alimentos. Los ratones criados sin gérmenes presentan alteraciones en el sistema inmunitario, el corazón, los pulmones, los ganglios linfáticos, el metabolismo e incluso la capacidad reproductiva. En 2011, un estudio descubrió que los ratones sin gérmenes mostraban patrones alterados de desarrollo cerebral y comportamiento: si los ratones eran expuestos a una mezcla de bacterias, los cambios volvían a la normalidad (3). En 2013, un equipo de investigadores descubrió que si se introducía una muestra de la microbiota intestinal de un ser humano obeso en un ratón sin gérmenes -sin modificar su dieta-, el ratón ganaba peso. En cambio, si la muestra de microbiota procedía de un humano delgado, el aumento de peso no se producía (4).
Como la importancia de las bacterias y los virus comensales -los que no dañan a su huésped- es cada vez más clara, los animales gnotobióticos siguen siendo una herramienta clave para estudiar las interacciones entre la microbiota y el organismo. Aunque los seres humanos no pueden ser criados sin gérmenes, se pueden transferir muestras de microbiomas intestinales humanos a ratones para crear condiciones intestinales similares a las humanas (5). Los investigadores disponen ahora de una gran cantidad de tecnologías que les ayudan a comprender los fundamentos moleculares de los vínculos entre el microbioma y la fisiología. Pueden utilizar técnicas de cribado genético y molecular de alto rendimiento para comparar ratones libres de gérmenes con los que sólo tienen bacterias particulares introducidas en sus intestinos o con los que tienen un conjunto completo de microbiota (6). Además, se pueden criar ratones con los genes o mutaciones genéticas que se deseen para comprobar cómo un gen puede estar implicado en el establecimiento o el control del microbioma.
Las cuestiones más importantes en el estudio del microbioma -cómo se establecen y mantienen las colonias de microorganismos, cómo afectan a su hospedador y cómo el hospedador da forma a las poblaciones de gérmenes- se basan en los animales gnotobióticos como herramienta para avanzar en este campo.