Чтобы пережить долгую зиму без еды, впадающие в спячку животные, такие как суслик с 13 линиями, могут замедлить свой метаболизм на целых 99 процентов, но им по-прежнему нужны важные питательные вещества, такие как белки, для поддержания мышц во время спячки. Новое исследование Университета Висконсин-Мэдисон показывает, что впадающим в спячку сусликам помогают микробы в их кишечнике.
Открытие может помочь людям с нарушениями атрофии мышц и даже астронавтам в длительных космических путешествиях.
«Чем дольше какое-либо животное не тренируется, кости и мышцы начинают атрофироваться, терять массу и функции», — говорит Ханна Кэри, заслуженный профессор Школы ветеринарной медицины Университета Вашингтона в Мэдисоне и соавтор нового исследования, опубликованного сегодня. (27 января) в журнале Science . «Без поступления какого-либо пищевого белка людям, находящимся в спячке, нужен другой способ получить то, что нужно их мышцам».
Один из источников азота, жизненно важного строительного блока для аминокислот и белков, накапливается в организме всех животных (включая человека) в виде мочевины, компонента мочи. Исследователи знали, что мочевина, попадающая в пищеварительный тракт белок, может расщепляться некоторыми кишечными микробами, которым также нужен азот для собственных белков. Но исследователи хотели посмотреть, попадает ли часть этого азота мочевины, высвобождаемого микробами, в тела белок.
Они вводили мочевину, приготовленную из отслеживаемых изотопов углерода и азота, в кровь белок в три этапа — в активные летние дни, в начале зимней спячки и в конце зимы. Некоторых белок также лечили антибиотиками, чтобы убить большинство микробов в их кишечнике. Как и предполагалось, азот, содержащий изотопы, выделялся некоторыми кишечными микробами, которые разлагали введенную мочевину.
«Мы следовали за этим азотом в печень (белок), в первую очередь — где он используется для производства многих белков — и немного в мышцы», — говорит соавтор исследования Фариба Ассади-Портер, почетный биохимик UW-Madison, которая специализируется на отслеживании изотопов. Она также является ученым в области интегративной биологии и Университетского центра ядерно-магнитного резонанса. «Мы полагаем, что наблюдаем, как меченые изотопами молекулы азота переходят от хозяина к микробиому, затем микробы превращают их в пригодные для использования молекулы, прежде чем снова вернуться к хозяину, по сути, «перерабатывая» в спящем животном».
Исследователи наблюдали два различия, которые поддерживают этот микробный путь. Белки, кишечные микробы которых были в значительной степени истощены антибиотиками, имели гораздо меньше отслеживаемого азота в печени и мышцах. И когда исследователи секвенировали геномы микробов, обнаруженных в кишечнике белок, они обнаружили, что по мере затягивания зимней спячки увеличивалось присутствие генов, связанных с выработкой фермента под названием уреаза.
«Уреаза не вырабатывается животными. Только микробы, экспрессирующие уреазу, способны расщеплять молекулу мочевины и высвобождать азот», — говорит Кэри, чья работа поддерживается Национальным научным фондом. «Пока присутствуют нужные микробы , это взаимодействие между ними и хозяином — каждый получает часть азота, высвобождаемого, чтобы продержаться до тех пор, пока не закончится спячка».
Описание ключей к выживанию во время гибернации может помочь людям, сидящим на диете с низким содержанием азота или страдающим заболеваниями, вызывающими атрофию мышц. Это также может позволить людям совершать длительные путешествия к далеким планетам.
Помещение космических путешественников в состояние, подобное спячке, означает, что им не нужно будет брать столько еды, воды и кислорода, и они будут производить меньше отходов и углекислого газа, экономя огромное количество веса и топлива.
