微生物幫助冬眠的動物回收營養(yǎng)并在整個冬天保持肌肉量
為季節(jié)性冬眠而蜷縮起來的 13 只地松鼠可以將它們的新陳代謝率降低到它們清醒活動的 1%。圖片來源：Rob Streiffer
為了在沒有食物的情況下度過漫長的冬天，冬眠的動物——比如 13 條地松鼠——可以減緩高達 99% 的新陳代謝，但它們?nèi)匀恍枰?a href="/topics/2801/" title="蛋白質(zhì)" target="_blank" >蛋白質(zhì)等重要營養(yǎng)物質(zhì)來維持冬眠時的肌肉。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的一項新研究表明，冬眠的地松鼠從腸道中的微生物中獲得幫助。
這一發(fā)現(xiàn)可以幫助患有肌肉萎縮癥的人，甚至可以幫助宇航員進行長時間的太空航行。
“任何動物不運動的時間越長，骨骼和肌肉就會開始萎縮并失去質(zhì)量和功能，”威斯康星大學(xué)麥迪遜分校獸醫(yī)學(xué)院名譽教授、新研究的合著者漢娜凱莉說，該研究發(fā)表在2022 年 1 月 27 日，發(fā)表在《科學(xué)》雜志上?！皼]有任何膳食蛋白質(zhì)進入，冬眠者需要另一種方式來獲得肌肉所需的東西。”
氮的一種來源是氨基酸和蛋白質(zhì)的重要??組成部分，以尿素的形式在所有動物（包括人類）的體內(nèi)積累，尿素是尿液的一種成分。研究人員知道，進入松鼠消化道的尿素可能會被一些腸道微生物分解，它們自身的蛋白質(zhì)也需要氮。但研究人員想看看微生物釋放的一些尿素氮是否也被納入松鼠的身體。
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他們分三個階段將用可追蹤的碳和氮同位素制成的尿素注入松鼠的血液中——在夏季活躍的日子、冬季冬眠初期和冬季末期。一些松鼠還接受了抗生素治療，以殺死腸道中的大部分微生物。正如預(yù)測的那樣，一些腸道微生物會釋放出含同位素的氮，這些微生物會降解注射的尿素。
威斯康星大學(xué)麥迪遜分校名譽生化學(xué)家法里巴·阿薩迪-波特 (Fariba Assadi-Porter) 說：“我們將氮追蹤到（松鼠的）肝臟，主要用于制造許多蛋白質(zhì)，還有一些用于肌肉?！睂ｉT跟蹤同位素。她還是綜合生物學(xué)和大學(xué)核磁共振設(shè)備的科學(xué)家?！拔覀兿嘈盼覀兛吹酵凰貥?biāo)記的氮分子從宿主轉(zhuǎn)移到微生物組，然后被微生物轉(zhuǎn)化為可用分子，然后再次返回宿主，基本上在冬眠動物中‘回收’。”
研究人員觀察到支持這種微生物途徑的兩個差異。腸道微生物大部分被抗生素耗盡的松鼠肝臟和肌肉中可追蹤的氮含量要少得多。當(dāng)研究人員對松鼠腸道中發(fā)現(xiàn)的微生物基因組進行測序時，他們發(fā)現(xiàn)隨著冬季冬眠的延長，與脲酶產(chǎn)生相關(guān)的基因的存在增加。
“脲酶不是由動物制造的。只有表達尿素酶的微生物才能分解尿素分子并釋放其氮，”Carey 說，他的工作得到了美國國家科學(xué)基金會的支持。“只要存在正確的微生物，這就是它們與宿主之間的交易——每個微生物都會釋放一些氮來渡過難關(guān)，直到冬眠結(jié)束?！?/p>
描述冬眠期間生存的關(guān)鍵可以幫助人們進行低氮飲食或?qū)е录∪馕s的疾病。它還可以讓人類長途旅行到遙遠的行星。
讓太空旅行者進入類似冬眠的狀態(tài)意味著他們不需要攝取那么多的食物、水和氧氣，并且會產(chǎn)生更少的廢物和二氧化碳，從而節(jié)省大量的重量和燃料。
“這個過程理論上可以降低太空中的肌肉損失率，在太空中，微重力暴露總是會導(dǎo)致肌肉萎縮，”該研究的合著者、前威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的博士后研究員馬修·里根說，他現(xiàn)在是該大學(xué)的動物生理學(xué)教授。蒙特利爾?！岸矣捎谶@種依賴腸道微生物的過程之外的冬眠特性可以保護免受太空飛行的其他危害，如電離輻射，因此理論上有可能，如果轉(zhuǎn)化為人類，類似冬眠的狀態(tài)可以同時解決人類太空飛行的眾多挑戰(zhàn)。 ”