O rato médio, como o humano médio, é o lar de triliões de bactérias e vírus. O rato médio em uma instalação gnotobiótica, no entanto, hospeda zero. Nenhum germes vive na sua pele, nas suas narinas ou no seu intestino. A sua comida e água – mesmo a sua cama – é aquecida a mais de 100 °C para matar bactérias e vírus antes de ser entregue na sua gaiola através de um sistema estéril e seguro de portas duplas. Isto é gnotobiótico; o estudo de organismos cujos germes são cuidadosamente controlados.

Cercuscos livres de germes abrigam ratos para pesquisas gnotobióticas. Imagem cortesia do National Institute of Allergy and Infectious Diseases.

Em biologia, uma forma comum de estudar parte de um sistema é removê-lo – os cientistas frequentemente comparam as variantes knockout com animais do tipo selvagem para estudar os efeitos da remoção de genes específicos. Para os cientistas que estudam os efeitos das bactérias na saúde e na doença, era um passo lógico – mais de meio século atrás – perguntar o que aconteceria se um animal vivesse sua vida completamente exposto a microorganismos. Em 1959, os pesquisadores estavam criando ratos, ratos, cobaias e pintos dentro de alojamentos estéreis de aço inoxidável e plástico (1).

Na maioria das formas, os métodos atuais para manter animais gnotobióticos não mudaram muito desde os anos 50. Para iniciar uma colônia sem germes, deve-se remover um animal jovem do útero materno através de um procedimento cirúrgico cuidadoso para evitar expô-lo aos microorganismos da vagina e pele da mãe. Em seguida, o animal é criado em uma gaiola esterilizada e exposto apenas a alimentos, água e outros equipamentos que também tenham sido esterilizados. Numa base semanal – ou com mais frequência – um técnico faz um esfregaço nas gaiolas e nas fezes dos animais para garantir que nenhuma bactéria tenha contaminado a carcaça esterilizada. Uma vez criada a colónia, torna-se mais fácil criar novos animais sem germes; uma mãe sem germes pode dar à luz naturalmente sem expor os seus recém-nascidos a qualquer bactéria.

A criação de animais gnotobióticos não dá apenas aos investigadores a capacidade de comparar indivíduos sem germes com indivíduos normalmente criados. Os animais livres de germes também dão a um laboratório a capacidade de introduzir um ou poucos microrganismos de cada vez e observá-los num ambiente mais simples do que a movimentada metrópole do microbioma. Em meados dos anos 60, Russell Schaedler, da Universidade Rockefeller, começou a realizar essas experiências, criando diferentes misturas de bactérias, estudando como cada uma colonizava as entranhas de ratos anteriormente livres de germes (2), e distribuindo a chamada “Flora Schaedler” para laboratórios em todo o mundo.

Hoje, os pesquisadores perceberam – em parte devido a muitos estudos iniciais de animais gnotobióticos – que o microbioma de um organismo não só ajuda a digerir alimentos. Ratos que são criados sem germes alteraram o sistema imunológico, corações, pulmões, gânglios linfáticos, metabolismos e até mesmo as habilidades reprodutivas. Em 2011, um estudo descobriu que ratos livres de germes mostraram padrões alterados de desenvolvimento e comportamento cerebral: se os ratos foram expostos a uma mistura de bactérias, as mudanças voltaram ao normal (3). Em 2013, uma equipe de pesquisadores descobriu que se uma amostra da microbiota intestinal de um humano obeso fosse colocada em um rato livre de germes – sem alterações na dieta do rato – o rato ganharia peso. Se a amostra da microbiota fosse de um humano magro, o ganho de peso não ocorreria (4).

Como a importância das bactérias e vírus comensal – aqueles que não prejudicam seu hospedeiro – é cada vez mais clara, os animais gnotobióticos continuam sendo uma ferramenta chave para estudar as interações entre a microbiota e o corpo. Embora os humanos não possam ser criados livres de germes, amostras de microbiomas intestinais humanos podem ser transferidas para ratos para criar condições intestinais semelhantes às humanas (5). Os investigadores dispõem agora de uma pletora de tecnologias que os ajudam a compreender os fundamentos moleculares das ligações microbioma-fisiologia. Eles podem usar técnicas de triagem genética e molecular de alto rendimento para comparar ratos sem germes com aqueles com bactérias introduzidas apenas em suas entranhas ou aqueles com um completo manejo de microbiota (6). Além disso, ratos com qualquer gene desejado ou mutações de genes podem ser criados livres de germes para testar como um gene pode estar envolvido no estabelecimento ou controle do microbioma.

As maiores questões no estudo do microbioma – como as colônias de microorganismos são estabelecidas e mantidas, como elas afetam seu hospedeiro, e como o hospedeiro molda as populações de germes – tudo depende de animais gnotobióticos como uma ferramenta para avançar o campo.