Hvad overvintrende egern kan lære astronauter

Når bjørne og jordegern går i dvale om vinteren, holder de op med at spise, og varer til foråret blot på de fedtreserver, de har lagret i deres kroppe. Normalt vil denne form for langvarig faste og inaktivitet reducere muskelmassen og funktionen betydeligt, men dvalebeboere lider ikke af denne skæbne. Hvordan de undgår det, har dog været et mysterium.

Nu i forskning offentliggjort i Science , en Université de Montréal-biolog har fundet ud af hvorfor, og hans resultater kunne have konsekvenser for, af alle ting, fremtiden for rumrejser. Ved at studere en sort kaldet det 13-forede jordegern, der er almindeligt i Nordamerika, har Matthew Regan bekræftet en teori kendt som "urea nitrogen salvage", der går tilbage til 1980'erne.

Teorien hævder, at dvalehavere udnytter et metabolisk trick af deres tarmmikrober til at genbruge det nitrogen, der findes i urinstof, en affaldsforbindelse, der normalt udskilles som urin, og bruge den til at opbygge nye vævsproteiner.

Hvordan kunne denne opdagelse være nyttig i rummet? Teoretisk udtaler Regan, ved at hjælpe astronauter med at minimere deres egne muskeltabsproblemer forårsaget af mikrogravitations-induceret undertrykkelse af proteinsyntese, og som de nu forsøger at reducere ved intensivt at træne.

Hvis man kunne finde en måde at øge astronauternes muskelproteinsynteseprocesser ved hjælp af urea-nitrogen-bjærgning, kunne de være i stand til at opnå bedre muskelsundhed under lange rejser ud i det dybe rum i rumfartøjer, der er for små til det sædvanlige træningsudstyr, lyder argumentet.

"Fordi vi ved, hvilke muskelproteiner der undertrykkes under rumflyvning, kan vi sammenligne disse proteiner med dem, der forstærkes af urea-nitrogen-bjærgning under dvale," sagde Regan, som udførte denne forskning, mens han var postdoc ved University of Wisconsin-Madison.

Han fortsætter nu sit arbejde gennem en Canadian Space Agency-forskningsbevilling ved UdeM, hvor han sidste år tiltrådte en stilling som adjunkt i dyrefysiologi ved Institut for Biologiske Videnskaber.

"Hvis," fortsatte Regan, "der er et overlap mellem proteinerne i rumflyvning og dem fra dvale, så tyder det på, at denne proces kan have fordele for muskelsundheden under rumflyvning."

En modeldvale

I sit studie, Regan designet en række teknikker og eksperimenter til at undersøge de vigtigste trin i urea-bjærgningsprocessen og give bevis for, om de forekommer i det 13-linede jordegern, når det går i dvale.

For at gøre det injicerede de i deres laboratorium deres testegerns blod med "dobbeltmærket" urinstof, hvilket betyder, at urinstoffets kulstofatom var ¹³ C i stedet for de sædvanlige ¹² C, og dets nitrogenatomer var ¹⁵ N i stedet for de sædvanlige ¹⁴ N. Disse mærkater gjorde det muligt for dem at spore det urea-kildede kulstof og nitrogen gennem de forskellige trin af urea-nitrogen-bjærgningsprocessen.

Den proces, fandt de, førte fra den indledende transport af urinstof fra blodet ind i tarmen, til nedbrydningen af ​​urinstof til dets bestanddele af tarmmikrober, til strømmen af ​​stoffer - kaldet metabolitter - indeholdende urinstofnitrogen tilbage til dyret, og endelig til det endelige udseende af dette urinstofnitrogen i vævsprotein.

"I bund og grund ser du ¹³ C og/eller ¹⁵ N i metabolitter på disse forskellige trin indikerede, at de stammede fra urinstof, og dermed, at dvalebeholderen brugte urea-nitrogen-redning," sagde Regan.

Han lavede sine eksperimenter på egern med og uden tarmmikrobiomer på tre tidspunkter af året:sommer, hvor de var aktive og ikke i dvale; tidlig vinter, da de var en måned i faste og dvale; og sen vinter, hvor de var fire måneder inde i faste og dvale.

'Tydelige beviser for nitrogen-bjærgning'

Det, de fandt, var endegyldigt:ved hvert trin i processen var der klare beviser for, at urea-nitrogen reddede egern med intakte tarmmikrobiomer.

Vigtigt er det, at egerne med udtømte tarmmikrobiomer ikke viste tegn på urea-nitrogen-bjærgning på noget trin, hvilket bekræfter, at denne proces var helt afhængig af tarmmikrobernes evne til at nedbryde urinstof, noget egerne selv ikke kan gøre.

Regan og hans team gjorde også to andre vigtige resultater:

• For det første var inkorporeringen af ​​urea-nitrogen i egernens vævsprotein højest i løbet af senvinteren, hvilket tyder på, at urea-nitrogen-bjergning bliver mere aktiv, efterhånden som dvaleperioden skrider frem. Dette er i modsætning til de fleste fysiologiske processer under dvale, hvor de har tendens til at være betydeligt reduceret.
• For det andet var der bevis for, at mikroberne selv brugte urea-nitrogenet til at bygge deres egne nye proteiner, hvilket er nyttigt for dem, fordi de, ligesom egernet, er under forhold med fastende dvale. Således har både egernet og dets mikrober gavn af urea-nitrogen-bjærgning, hvilket gør denne proces til en sand symbiose.

Hvad dette betyder, sagde Regan, er, at egerne kommer ud af dvale om foråret i god form. Dette er vigtigt, fordi årets eneste parringssæson, som er en tid med intens fysisk aktivitet for både hanner og hunner, indtræffer umiddelbart efter, at de kommer ud af dvalen. Vævsfunktion – især muskelvævsfunktion – er derfor yderst vigtig for en vellykket parringssæson.

"Ved at lette muskelproteinsyntesen sent i dvale-sæsonen, kan urea-nitrogen-bjærgning hjælpe med at optimere de nye egerns muskelfunktion og bidrage til deres reproduktive succes i parringssæsonen," sagde Regan. "Bjergning af urinstof-nitrogen kan derfor forbedre dyrenes samlede biologiske kondition."

Sultende masser og ældre

Ud over implikationerne for rumrejser og astronauters helbred, kan Regans opdagelse have mere umiddelbare virkninger lige her på Jorden – i de sultende masser af den underudviklede verden og hos de ældre.

Hundredvis af millioner mennesker globalt oplever muskelsvind som følge af forskellige tilstande – for eksempel underernæring påvirker over 805 millioner mennesker globalt. Mere udbredt i Canada er sarkopeni, et aldersrelateret fald i muskelmasse, der stammer fra anabolsk ufølsomhed, der påvirker alle mennesker, hvilket fører til et fald på 30 til 50 procent i skeletmuskelmasse mellem 40 og 80 år.

"De mekanismer, som pattedyr som det 13-forede jordegern naturligt har udviklet for at opretholde proteinbalancen i deres egne nitrogen-begrænsede situationer, kan informere strategier for at maksimere sundheden for andre nitrogen-begrænsede dyr, herunder mennesker," sagde Regan. En løsning kunne være at udvikle en præ- eller probiotisk pille, som folk kunne tage for at fremme et tarmmikrobiom af den slags, som dvalehavere som egern har.

"For at være klar, er disse applikationer, selvom de teoretisk er mulige, langt fra levering, og der er behov for en masse ekstra arbejde for at oversætte denne naturligt udviklede mekanisme sikkert og effektivt til mennesker," sagde Regan.

"Men en ting, jeg finder opmuntrende, er, at en undersøgelse fra begyndelsen af ​​1990'erne gav nogle beviser for, at mennesker er i stand til at genbruge små mængder urea-nitrogen via den samme proces. Det tyder på, at det nødvendige maskineri er på plads. Det skal bare optimeres. ."