Микроорганизмдері толық зерттелген организмдер

Кіріспе

Гнотобиоз (грек тіліндегі gnostos – "белгілі" және bios – "өмір") – ағзаның жасалған күйі, онда оның ішінде немесе үстіндегі барлық тіршілік нысандары (яғни микроорганизмдер), соның ішінде оның микробиотасы анықталған. Гнотобиотикті организм немесе гнотобиота термині белгілі микроорганизмдердің нақты бір қауымдастығымен (изобиотик немесе анықталған флоралы жануар) қоныстанған немесе микроорганизмдерден толық дерлік бос (бауырсыз) модельді организмді білдіруі мүмкін, көбінесе тәжірибелік мақсаттар үшін. Алайда, Гнотобиология қауымдастығы 1960 жылы ғана құрылды. Гнотобиологияның алғашқы қадамдары жеткіліксіз жабдықтар мен тамақтану туралы білімнің жетіспеуімен шектелген, бірақ тамақтану ғылымдарының, жануарлар анатомиясы мен физиологиясының және иммунологияның жетістіктері гнотобиотиктік технологияларды жақсартуға мүмкіндік берді.

Әдістер

Гвинеялық шошқалар 1896 жылы Джордж Натталл мен Ханс Тьерфельдер сипаттаған алғашқы микробсыз жануарлар моделі болды, бұл гнотобиологияда қазірге дейін қолданылып келе жатқан әдістерді қалыптастырды. Стерильді ортаны сақтаудың алғашқы әдістері стерильді шыны ыдыстар мен қолғап қораптарын қамтыды, бұл 1939 жылы Нотр-Дам университетінде өткен микрохирургиялық және микробсыз әдістер симпозиумында осы саладағы әдістердің біркелкілігі туралы талқылауға әкелді. Нотр-Дам университетінің бактериологиялық зертханасы (LOBUND деп белгілі) Джон Дж. Каваноға қарыздар және гнотобиотикалық зерттеулер саласындағы маңызды жетістіктерге қол жеткізгені үшін танымал. 1950-1970 жылдар аралығында бактериялардың болмауының ие организмнің метаболизмі мен физиологиясына тигізетін әсерін зерттеу үшін микробсыз модельдер пайдаланылды, кейіннен бұл микроорганизмдердің функцияларын және биомедициналық салаға қатысты басқа да мәселелерді зерттеу үшін микробсыз организмдерді белгілі бір микроорганизмдермен қасақана жұқтыруға ұласты. 1970 жылдардың басында гнотобиоттар иесінің қоректік заттарды сіңірудегі және иммундық жауабындағы микроорганизмдердің рөлін зерттеу үшін қолданылды; алайда, гнотобиотикалық колонияда өсірілген жануарлардың иммундық жүйесі жетілмеген, жүрек шығысы төмен және ішек қабырғалары жұқа болғандықтан, бұл оларды жұқпалы патогендерге өте сезімтал ететін себепті бұл шектеулі болды. 1970 жылдардың басынан бастап гнотобиотикалық зерттеулер 1980 жылдардың ортасына дейін азайды. Тарихи тұрғыдан алғанда, егешқұйрықтардың модельдері микробиота құрамының (қандай микроорганизмдер бар екені) иесінің иммундық жүйесіне, жүйке жүйесіне, метаболизміне және физиологиясына тигізетін әсерін зерттеу үшін қолданылды; алайда, бұл салаға қызығушылықтың артуы осы тақырыптарға қатысты көптеген сұрақтарды қарастыру үшін басқа модельді организмдерді қосуға әкелді. Гнотобиотикалық жануарлар әдетте асептикалық жағдайда дүниеге келеді, бұл анасынан кесарево қимылы арқылы алынуын және жаңа туған нәрестені бірден барлық кіріс ауа, тамақ және су стерильденетін изоляторға ауыстыруын қамтуы мүмкін. Гнотобиоттар әдетте стерильді зертханалық ортада өсіріледі және зерттеушілерді қызықтыратын микроорганизмдерге ғана қасақана ұшыратылады. Адамдық гнотобиотикалық егешқұйрықтар, немесе адамның ішек микроорганизмдерімен фекальдық микробиота трансплантациясы арқылы енгізілген гнотобиотикалық егешқұйрықтар, ішек микробиотасын және олардың иесінің қатерлі ісіктерімен, иммундық жүйесімен және тамақтануымен байланысын зерттеу үшін қолданылады. Гнотобиотикалық егешқұйрықтар мен егешқұйрықтар жүйелерінің кейбір артықшылықтары организмнің біркелкілігі, тарихи таралуы және қалыптасқан жүйеге тән әдістер, сондай-ақ коммерциялық түрде сенімді гнотобиотикалық егешқұйрықтар мен егешқұйрықтарды алу мүмкіндігін қамтиды. Зерттеулердің көп бөлігі әлі де балықтардың бірнеше түрінде, мысалы, зебра балығында ғана жүргізілуде. Гнотобиотикалық өсімдіктерді алу үшін зерттеушілер тұқымның бетін химиялық заттармен (мысалы, этанол, натрий гипохлориті (ағартқыш), сутек пероксиді) стерильдейді. Гнотобиотикалық жүйелерді құру үшін Арабидопсис талиана, арахис, сұлы, жүгері және басқалар сияқты әртүрлі өсімдіктер пайдаланылды. Жануарларға ұқсас гнотобиотикалық өсімдік жүйелері иесінің физиологиясының ажырамас бөліктерін (мысалы, азотты бекіту) және өсімдіктер мен микроорганизмдер арасындағы патогендік және симбиотикалық өзара әрекеттесуді зерттеу үшін қолданылды.

Guinea pigs were the first germ free animal model described in 1896 by George Nuttall and Hans Thierfelder, establishing techniques still used today in gnotobiology. Early methods for maintaining sterile environments involved sterile glass jars and gloveboxes, which developed into a conversation surrounding uniformity of the methods in the field at the 1939 symposium on Micrurgical and Germ free Methods at the University of Notre Dame. The Laboratories of Bacteriology at the University of Notre Dame (known as LOBUND) was founded by John J. Cavanaugh and is cited for making some of the most notable achievements in the field of gnotobiotic research. Between the 1950s and 1970s, germ free models were used to study the effects of the absence of bacteria on host organism metabolism and physiology, which later evolved into intentionally infecting germ free organisms with specific microorganisms to investigate their functions and other questions relating to the biomedical field. In the early 1970s, gnotobiotes were used to study the role of microorganisms in host nutrition acquisition and immune response; however, this was limited because animals reared in a gnotobiotic colony often have poorly developed immune systems, lower cardiac output, and thin intestinal walls, which make them highly susceptible to infectious pathogens. After the early 1970s, gnotobiotic research decreased until the mid 1980s. Historically, mouse models have been used to investigate the impacts of the microbiota composition (which microorganisms are present) on host immune system, nervous system, metabolism, and physiology; however, an increasing interest in this field has led to the incorporation of other model organisms to address a larger variety of questions relating to these topics. Gnotobiotic animals are typically born under aseptic conditions, which may include removal from the mother by Caesarean section followed by immediate transfer of the newborn to an isolator where all incoming air, food and water is sterilized. Gnotobiotes are usually raised in a sterile laboratory environment, and are only intentionally exposed to microorganisms of interest to researchers. Humanized gnotobiotic mice, or gnotobiotic mice introduced to human intestinal microorganisms by fecal microbiota transplant with human feces, are used in the context of studying gut microbiota and their relationship with host cancers, immune system, and nutrition. Some advantages of gnotobiotic mice and rat systems include the uniformity of the organism, historical prevalence, and established system specific methods, as well as the ability to obtain reliable gnotobiotic mice and rats commercially. The majority of research is still only conducted on a few species of fish, such as the zebra fish. To obtain gnotobiotic plants, researchers sterilize seeds using chemical agents (e. g., ethanol, sodium hypochlorite (bleach), hydrogen peroxide) on the surface of the seed. A wide variety of plants have been used to generate gnotobiotic systems such as Arabidopsis thaliana, peanuts, oats, corn, and many others. Similar to animals, gnotobiotic plant systems have been used to study integral components of host physiology (e. g., nitrogen fixation), as well as pathogenic and symbiotic interactions between plants and microorganisms.