Șoarecele mediu, ca și omul mediu, găzduiește trilioane de bacterii și viruși. Șoarecele mediu dintr-o instalație gnotobiotică, însă, găzduiește zero. Niciun microb nu trăiește pe pielea sa, în nările sale sau în intestinul său. Hrana și apa – chiar și așternutul său – sunt încălzite la peste 100 °C pentru a ucide bacteriile și virușii înainte de a fi livrate în cușca sa printr-un sistem steril și sigur de uși duble. Aceasta este gnotobiotica; studiul organismelor al căror fiecare germen este atent controlat.

Închisori fără germeni adăpostesc șoareci pentru cercetarea gnotobiotică. Pentru imagine, mulțumim Institutului Național de Alergii și Boli Infecțioase.

În biologie, o modalitate obișnuită de a studia o parte a unui sistem este de a o elimina – oamenii de știință compară frecvent variantele knockout cu animale de tip sălbatic pentru a studia efectele eliminării unor gene specifice. Pentru oamenii de știință care studiază efectele bacteriilor asupra sănătății și bolilor, a fost un pas logic – cu mai mult de jumătate de secol în urmă – să se întrebe ce s-ar întâmpla dacă un animal și-ar trăi viața complet neexpus la microorganisme. Până în 1959, cercetătorii creșteau șoareci, șobolani, cobai și pui fără germeni în interiorul unor carcase sterile din oțel inoxidabil și plastic (1).

În cele mai multe privințe, metodele actuale de creștere a animalelor gnotobiotice nu s-au schimbat prea mult față de anii 1950. Pentru a începe o colonie fără germeni, trebuie să se scoată un animal tânăr din pântecele mamei sale printr-o procedură chirurgicală atentă pentru a evita expunerea acestuia la microorganismele din vaginul și pielea mamei. Apoi, animalul este crescut într-o cușcă sterilă și expus doar la hrană, apă și alte echipamente care au fost, de asemenea, sterilizate. Săptămânal – sau mai des – un tehnician tamponează cuștile și fecalele animalelor pentru a se asigura că nicio bacterie nu a contaminat adăposturile sterile. Odată ce colonia a fost creată, devine mai ușor să crești noi animale fără germeni; o mamă fără germeni poate naște în mod natural fără a-și expune nou-născuții la nicio bacterie.

Având animale gnotobiotice nu oferă cercetătorilor doar posibilitatea de a compara indivizi fără germeni cu cei crescuți în mod normal. Animalele fără germeni oferă, de asemenea, unui laborator posibilitatea de a introduce unul – sau câteva – microorganisme la un moment dat și de a le examina într-un mediu mai simplu decât metropola plină de viață a microbiomului. La mijlocul anilor 1960, Russell Schaedler de la Universitatea Rockefeller a început să întreprindă aceste experimente, creând diferite amestecuri de bacterii, studiind modul în care fiecare dintre ele a colonizat intestinele unor șoareci anterior lipsiți de germeni (2) și distribuind așa-numita „Schaedler Flora” către laboratoare din întreaga lume.

Astăzi, cercetătorii au realizat – în parte datorită multor studii timpurii asupra animalelor gnotobiotice – că microbiomul unui organism nu îl ajută doar să digere alimentele. Șoarecii crescuți fără germeni au sistemul imunitar, inima, plămânii, ganglionii limfatici, metabolismul și chiar abilitățile de reproducere alterate. În 2011, un studiu a constatat că șoarecii fără germeni au prezentat modele modificate de dezvoltare a creierului și de comportament: dacă șoarecii au fost expuși la un amestec de bacterii, modificările au revenit la normal (3). În 2013, o echipă de cercetători a descoperit că, dacă o mostră din microbiota intestinală a unui om obez era introdusă într-un șoarece fără germeni – fără nicio modificare a regimului alimentar al șoricelului – șoarecele lua în greutate. Dacă proba de microbiotă provenea în schimb de la un om slab, creșterea în greutate nu se producea (4).

Cum importanța bacteriilor și a virusurilor comensale – cele care nu fac rău gazdei lor – devine tot mai clară, animalele gnotobiotice rămân un instrument cheie pentru studierea interacțiunilor dintre microbiotă și organism. Deși oamenii nu pot fi crescuți fără germeni, mostre de microbiomi intestinali umani pot fi transferate la șoareci pentru a crea condiții intestinale asemănătoare cu cele umane (5). Cercetătorii dispun acum de o multitudine de tehnologii care îi ajută să înțeleagă fundamentele moleculare ale legăturilor dintre microbiom și fiziologie. Aceștia pot utiliza tehnici de screening genetic și molecular de mare randament pentru a compara șoarecii fără germeni cu cei care au doar anumite bacterii introduse în intestinele lor sau cu cei care au o menajerie completă de microbiotă (6). De asemenea, șoarecii cu orice gene sau mutații genetice dorite pot fi crescuți fără germeni pentru a testa modul în care o genă poate fi implicată în stabilirea sau controlul microbiomului.

Cele mai mari întrebări în studiul microbiomului – cum se stabilesc și se mențin coloniile de microorganisme, cum își afectează acestea gazda și cum gazda modelează populațiile de germeni – se bazează toate pe animalele gnotobiotice ca instrument pentru a avansa în acest domeniu.

.