Wanneer beren en grondeekhoorns in de winter overwinteren, stoppen ze met eten en blijven ze tot de lente gewoon op de vetreserves die ze in hun lichaam hebben opgeslagen. Gewoonlijk zou dit soort langdurig vasten en inactiviteit de massa en functie van spieren aanzienlijk verminderen, maar overwinteraars ondergaan dit lot niet. Hoe ze het vermijden, is echter een raadsel geweest.

Nu, in onderzoek gepubliceerd in Science , heeft een bioloog van de Université de Montréal ontdekt waarom, en zijn bevindingen kunnen implicaties hebben voor, van alles, de toekomst van ruimtereizen. Door een variëteit te bestuderen die de 13-lijnige grondeekhoorn wordt genoemd en die veel voorkomt in Noord-Amerika, heeft Matthew Regan een theorie bevestigd die bekend staat als "ureumstikstofrecuperatie" die teruggaat tot de jaren tachtig.

De theorie stelt dat overwinteraars een metabolische truc van hun darmmicroben gebruiken om de stikstof in ureum, een afvalstof die meestal wordt uitgescheiden als urine, te recyclen en te gebruiken om nieuwe weefseleiwitten te bouwen.

Hoe zou deze ontdekking van nut kunnen zijn in de ruimte? Theoretisch, stelt Regan, door astronauten te helpen hun eigen spierverliesproblemen, veroorzaakt door microzwaartekrachtgeïnduceerde onderdrukking van eiwitsynthese, te minimaliseren en die ze nu proberen te verminderen door intensief te sporten.

Als er een manier zou kunnen worden gevonden om de spiereiwitsyntheseprocessen van de astronauten te verbeteren met behulp van ureumstikstofrecuperatie, zouden ze in staat kunnen zijn om een ​​betere spiergezondheid te bereiken tijdens lange reizen naar de verre ruimte in ruimtevaartuigen die te klein zijn voor de gebruikelijke trainingsapparatuur, zo luidt het argument. /P>

"Omdat we weten welke spiereiwitten worden onderdrukt tijdens ruimtevluchten, kunnen we deze eiwitten vergelijken met die eiwitten die tijdens de winterslaap worden versterkt door de berging van ureumstikstof", zegt Regan, die dit onderzoek uitvoerde als postdoc aan de Universiteit van Wisconsin-Madison.

Hij zet zijn werk nu voort via een onderzoeksbeurs van de Canadian Space Agency aan de UdeM, waar hij vorig jaar aantrad als assistent-professor dierfysiologie bij de afdeling Biologische Wetenschappen.

"Als," vervolgde Regan, "er een overlap is tussen de eiwitten in de ruimtevlucht en die uit de winterslaap, suggereert dit dat dit proces voordelen kan hebben voor de spiergezondheid tijdens ruimtevluchten."

Een model winterslaap

In zijn studeerkamer, Regan ontwierp een reeks technieken en experimenten om de belangrijkste stappen in het ureumrecuperatieproces te onderzoeken en bewijs te leveren voor het al dan niet voorkomen in de 13-lijnige grondeekhoorn wanneer deze overwintert.

Om dat te doen, injecteerden ze in hun laboratorium het bloed van hun testeekhoorns met "dubbel gelabeld" ureum, wat betekent dat het koolstofatoom van het ureum ¹³ was. C in plaats van de gebruikelijke ¹² C, en zijn stikstofatomen waren ¹⁵ N in plaats van de gebruikelijke ¹⁴ N. Met deze labels konden ze de uit ureum afkomstige koolstof en stikstof volgen door de verschillende stappen van het ureumstikstofterugwinningsproces.

Dat proces, zo ontdekten ze, leidde van het eerste transport van ureum uit het bloed naar de darm, tot de afbraak van ureum in zijn samenstellende delen door darmmicroben, tot de stroom van stoffen - metabolieten genaamd - die ureumstikstof bevatten, terug in het dier, en tot slot tot de uiteindelijke verschijning van deze ureumstikstof in weefseleiwit.

"In wezen, het zien van ¹³ C en/of ¹⁵ N in metabolieten bij deze verschillende stappen gaven aan dat ze afkomstig waren van ureum, en dus dat de overwinteraar ureumstikstofrecuperatie gebruikte, "zei Regan.

Hij deed zijn experimenten op eekhoorns met en zonder darmmicrobioom op drie tijdstippen van het jaar:in de zomer, wanneer ze actief waren en niet in winterslaap waren; vroege winter, toen ze een maand vasten en overwinterden; en de late winter, toen ze vier maanden vasten en overwinterden.

'Duidelijk bewijs van stikstofberging'

Wat ze vonden was definitief:bij elke stap van het proces was er duidelijk bewijs van de berging van ureumstikstof door de eekhoorns met intacte darmmicrobiomen.

Belangrijk is dat de eekhoorns met een verarmd darmmicrobioom bij geen enkele stap enig bewijs van ureumstikstofredding vertoonden, wat bevestigt dat dit proces volledig afhankelijk was van het vermogen van de darmmicroben om ureum af te breken, iets wat de eekhoorns zelf niet kunnen doen.

Regan en zijn team hebben ook twee andere belangrijke bevindingen gedaan:

• Ten eerste was de opname van ureumstikstof in het weefseleiwit van de eekhoorns het hoogst tijdens de late winter, wat suggereert dat de berging van ureumstikstof actiever wordt naarmate het winterslaapseizoen vordert. Dit is in tegenstelling tot de meeste fysiologische processen tijdens de winterslaap, wanneer deze de neiging hebben om aanzienlijk te worden verminderd.
• Ten tweede was er bewijs dat de microben zelf de ureumstikstof gebruikten om hun eigen nieuwe eiwitten te bouwen, wat nuttig voor hen is omdat ze, net als de eekhoorn, in een nuchtere winterslaap zijn. Zo profiteren zowel de eekhoorn als zijn microben van de berging van ureumstikstof, waardoor dit proces een ware symbiose wordt.

Wat dit betekent, zei Regan, is dat de eekhoorns in de lente in goede vorm uit hun winterslaap komen. Dit is belangrijk omdat het enige paarseizoen van het jaar, een tijd van intense fysieke activiteit voor zowel mannen als vrouwen, plaatsvindt direct nadat ze uit hun winterslaap komen. Weefselfunctie, met name spierweefselfunctie, is daarom van groot belang voor een succesvol paarseizoen.

"Door de spiereiwitsynthese laat in het winterslaapseizoen te vergemakkelijken, kan de berging van ureumstikstof de spierfunctie van de opkomende eekhoorns helpen optimaliseren en bijdragen aan hun reproductieve succes tijdens het paarseizoen," zei Regan. "De berging van ureumstikstof kan daarom de algehele biologische fitheid van de dieren verbeteren."

Verhongerende massa's en ouderen

Afgezien van de implicaties voor ruimtereizen en de gezondheid van astronauten, zou de ontdekking van Regan meer directe gevolgen kunnen hebben nu hier op aarde - in de uitgehongerde massa's van de onderontwikkelde wereld en bij ouderen.

Honderden miljoenen mensen wereldwijd ervaren spierafbraak als gevolg van verschillende aandoeningen - ondervoeding bijvoorbeeld treft wereldwijd meer dan 805 miljoen mensen. In Canada komt sarcopenie vaker voor, een leeftijdsgebonden afname van spiermassa als gevolg van anabole ongevoeligheid die alle mensen treft, wat leidt tot een afname van 30 tot 50 procent van de skeletspiermassa tussen de 40 en 80 jaar.

"De mechanismen die zoogdieren zoals de 13-lijnige grondeekhoorn van nature hebben ontwikkeld om de eiwitbalans in hun eigen stikstofbeperkte situaties te behouden, kunnen strategieën informeren voor het maximaliseren van de gezondheid van andere stikstofbeperkte dieren, inclusief mensen," zei Regan. Een oplossing zou kunnen zijn om een ​​pre- of probiotische pil te ontwikkelen die mensen kunnen nemen om een ​​darmmicrobioom te bevorderen van het soort dat overwinteraars zoals eekhoorns hebben.

"Voor alle duidelijkheid, deze toepassingen, hoewel theoretisch mogelijk, zijn nog ver verwijderd van levering, en er is veel extra werk nodig om dit natuurlijk ontwikkelde mechanisme veilig en effectief naar de mens te vertalen", zei Regan.

"Maar een ding dat ik bemoedigend vind, is dat een onderzoek uit het begin van de jaren negentig enig bewijs heeft geleverd dat mensen in staat zijn om kleine hoeveelheden ureumstikstof te recyclen via hetzelfde proces. Dit suggereert dat de nodige machines aanwezig zijn. Het moet alleen worden geoptimaliseerd ."