Den genomsnittliga musen, liksom den genomsnittliga människan, är hemvist för biljoner bakterier och virus. Den genomsnittliga musen i en gnotobiotisk anläggning är dock värd för noll. Inga bakterier lever på dess hud, i dess näsborrar eller i dess tarm. Dess mat och vatten – till och med dess sängkläder – värms upp till över 100 °C för att döda bakterier och virus innan de levereras till buren genom ett sterilt, felsäkert system med dubbeldörrar. Detta är gnotobiotik; studiet av organismer vars varje bakterie är noggrant kontrollerad.

Germfria inhägnader inhyser möss för gnotobiotisk forskning. Bilden är en artighet av National Institute of Allergy and Infectious Diseases.

I biologin är ett vanligt sätt att studera en del av ett system att ta bort den – forskare jämför ofta knockoutvarianter med vildtypdjur för att studera effekterna av att ta bort specifika gener. För forskare som studerar bakteriers effekter på hälsa och sjukdom var det ett logiskt steg – för mer än ett halvt sekel sedan – att fråga vad som skulle hända om ett djur levde sitt liv helt oexponerat för mikroorganismer. År 1959 uppfödde forskare bakteriefria möss, råttor, marsvin och kycklingar i sterila höljen av rostfritt stål och plast (1).

På de flesta sätt har dagens metoder för att hålla gnotobiotiska djur inte förändrats mycket sedan 1950-talet. För att starta en bakteriefri koloni måste man ta bort ett ungt djur från moderns livmoder genom ett noggrant kirurgiskt ingrepp för att undvika att utsätta det för mikroorganismerna i moderns vagina och hud. Därefter föds djuret upp i en steril bur och utsätts endast för mat, vatten och annan utrustning som också har steriliserats. En gång i veckan – eller oftare – skrubbar en tekniker burarna och djurens avföring för att se till att inga bakterier har förorenat det sterila hägnet. När kolonin väl har skapats blir det lättare att föda upp nya bakteriefria djur; en bakteriefri mor kan föda naturligt utan att utsätta sina nyfödda för några bakterier.

Att ha gnotobiotiska djur ger inte bara forskarna möjlighet att jämföra bakteriefria individer med normalt uppfödda individer. Keimfria djur ger också ett laboratorium möjlighet att introducera en – eller några få – mikroorganismer i taget och titta på dem i en enklare miljö än mikrobiomets livliga metropol. I mitten av 1960-talet började Russell Schaedler vid Rockefeller University att genomföra dessa experiment, skapa olika blandningar av bakterier, studera hur var och en av dem koloniserade tarmarna på tidigare bakteriefria möss (2) och distribuera den så kallade ”Schaedlerfloran” till laboratorier runt om i världen.

I dag har forskarna insett – delvis på grund av många tidiga studier av gnotobiotiska djur – att en organisms mikrobiom inte bara hjälper den att smälta mat. Möss som föds upp bakteriefria har förändrade immunsystem, hjärtan, lungor, lymfkörtlar, ämnesomsättning och till och med reproduktionsförmåga. År 2011 visade en studie att bakteriefria möss uppvisade förändrade mönster i hjärnans utveckling och beteende: om mössen utsattes för en blandning av bakterier återgick förändringarna till det normala (3). År 2013 upptäckte ett forskarlag att om ett prov av tarmmikrobiota från en överviktig människa sattes in i en bakteriefri mus – utan att musens diet förändrades – skulle musen gå upp i vikt. Om mikrobiotaprovet i stället kom från en mager människa uppstod inte viktökningen (4).

När betydelsen av kommensala bakterier och virus – de som inte skadar sin värd – blir allt tydligare, förblir gnotobiotiska djur ett viktigt verktyg för att studera samspelet mellan mikrobiota och kroppen. Även om människor inte kan födas upp bakteriefria, kan prover av människans tarmmikrobiom överföras till möss för att skapa människoliknande tarmförhållanden (5). Forskarna har nu en uppsjö av teknik som hjälper dem att förstå de molekylära grunderna för sambanden mellan mikrobiom och fysiologi. De kan använda genetiska och molekylära screeningtekniker med hög kapacitet för att jämföra bakteriefria möss med möss som endast har särskilda, introducerade bakterier i tarmen eller möss som har ett helt menageri av mikrobiota (6). Dessutom kan möss med önskade gener eller genmutationer uppfödas bakteriefria för att testa hur en gen kan vara involverad i att etablera eller kontrollera mikrobiomet.

De största frågorna i studiet av mikrobiomet – hur kolonier av mikroorganismer etableras och underhålls, hur de påverkar sin värd och hur värden formar bakteriepopulationerna – är alla beroende av gnotobiotiska djur som ett verktyg för att utveckla området.