微生物帮助冬眠的动物回收营养并在整个冬天保持肌肉量
为季节性冬眠而蜷缩起来的 13 只地松鼠可以将它们的新陈代谢率降低到它们清醒活动的 1%。图片来源：Rob Streiffer
为了在没有食物的情况下度过漫长的冬天，冬眠的动物——比如 13 条地松鼠——可以减缓高达 99% 的新陈代谢，但它们仍然需要蛋白质等重要营养物质来维持冬眠时的肌肉。威斯康星大学麦迪逊分校的一项新研究表明，冬眠的地松鼠从肠道中的微生物中获得帮助。
这一发现可以帮助患有肌肉萎缩症的人，甚至可以帮助宇航员进行长时间的太空航行。
“任何动物不运动的时间越长，骨骼和肌肉就会开始萎缩并失去质量和功能，”威斯康星大学麦迪逊分校兽医学院名誉教授、新研究的合著者汉娜凯莉说，该研究发表在2022 年 1 月 27 日，发表在《科学》杂志上。“没有任何膳食蛋白质进入，冬眠者需要另一种方式来获得肌肉所需的东西。”
氮的一种来源是氨基酸和蛋白质的重要组成部分，以尿素的形式在所有动物（包括人类）的体内积累，尿素是尿液的一种成分。研究人员知道，进入松鼠消化道的尿素可能会被一些肠道微生物分解，它们自身的蛋白质也需要氮。但研究人员想看看微生物释放的一些尿素氮是否也被纳入松鼠的身体。
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他们分三个阶段将用可追踪的碳和氮同位素制成的尿素注入松鼠的血液中——在夏季活跃的日子、冬季冬眠初期和冬季末期。一些松鼠还接受了抗生素治疗，以杀死肠道中的大部分微生物。正如预测的那样，一些肠道微生物会释放出含同位素的氮，这些微生物会降解注射的尿素。
威斯康星大学麦迪逊分校名誉生化学家法里巴·阿萨迪-波特 (Fariba Assadi-Porter) 说：“我们将氮追踪到（松鼠的）肝脏，主要用于制造许多蛋白质，还有一些用于肌肉。”专门跟踪同位素。她还是综合生物学和大学核磁共振设备的科学家。“我们相信我们看到同位素标记的氮分子从宿主转移到微生物组，然后被微生物转化为可用分子，然后再次返回宿主，基本上在冬眠动物中‘回收’。”
研究人员观察到支持这种微生物途径的两个差异。肠道微生物大部分被抗生素耗尽的松鼠肝脏和肌肉中可追踪的氮含量要少得多。当研究人员对松鼠肠道中发现的微生物基因组进行测序时，他们发现随着冬季冬眠的延长，与脲酶产生相关的基因的存在增加。
“脲酶不是由动物制造的。只有表达尿素酶的微生物才能分解尿素分子并释放其氮，”Carey 说，他的工作得到了美国国家科学基金会的支持。“只要存在正确的微生物，这就是它们与宿主之间的交易——每个微生物都会释放一些氮来渡过难关，直到冬眠结束。”
描述冬眠期间生存的关键可以帮助人们进行低氮饮食或导致肌肉萎缩的疾病。它还可以让人类长途旅行到遥远的行星。
让太空旅行者进入类似冬眠的状态意味着他们不需要摄取那么多的食物、水和氧气，并且会产生更少的废物和二氧化碳，从而节省大量的重量和燃料。
“这个过程理论上可以降低太空中的肌肉损失率，在太空中，微重力暴露总是会导致肌肉萎缩，”该研究的合著者、前威斯康星大学麦迪逊分校的博士后研究员马修·里根说，他现在是该大学的动物生理学教授。蒙特利尔。“而且由于这种依赖肠道微生物的过程之外的冬眠特性可以保护免受太空飞行的其他危害，如电离辐射，因此理论上有可能，如果转化为人类，类似冬眠的状态可以同时解决人类太空飞行的众多挑战。 ”