微生物幫助冬眠的動物迴圈營養，在冬天維持肌肉
十三排地松鼠蜷成一團進行季節性冬眠，這會使它們的新陳代謝率降低到清醒時活動的1%。圖片來源:Rob Streiffer提供
當熊和地松鼠在冬天冬眠時，它們停止進食，僅僅依靠它們體內儲存的脂肪儲備維持到春天。通常，這種長時間的禁食和不活動會顯著減少肌肉的質量和功能，但冬眠者不會遭受這種命運。然而，他們是如何避免的，一直是個謎。
現在，在《科學》雜誌上發表的一項研究中，一位Université de Montréal的生物學家已經找出了原因，他的發現可能會對未來的太空旅行產生影響。透過研究北美常見的13線地松鼠，馬修·里根證實了一種叫做“尿素氮回收”的理論，該理論可以追溯到20世紀80年代。
該理論假設，冬眠動物利用腸道微生物的一種代謝技巧，迴圈利用尿素中的氮，並利用它來生成新的組織蛋白質。尿素是一種通常以尿液形式排出的廢物化合物。
這個發現在太空中會有什麼用處呢?Regan認為，從理論上講，透過幫助宇航員減少因微重力引起的蛋白質合成抑制而導致的肌肉損失問題，現在他們試圖透過高強度鍛鍊來減少這些問題。
有觀點認為，如果能找到一種方法，利用尿素氮回收來增加宇航員肌肉蛋白質的合成過程，他們就能在太空飛船中實現更好的肌肉健康，因為飛船太小，不適合通常的鍛鍊裝置。
“因為我們知道哪些肌肉蛋白質在太空飛行中被抑制，我們可以將這些蛋白質與那些在冬眠中被尿素氮回收所增強的蛋白質進行比較，”里根說，他在威斯康星大學麥迪遜分校做博士後時進行了這項研究。
現在，他在加拿大航天局的研究資助下繼續他的工作，去年，他在生物科學系擔任動物生理學助理教授。
“如果，”里根繼續說，“太空飛行中的蛋白質和冬眠中的蛋白質之間有重疊，那麼這表明這個過程可能對太空飛行中的肌肉健康有好處。”
冬眠動物模型
在他的研究中，Regan設計了一系列的技術和實驗來調查尿素回收過程中的主要步驟，並提供證據，以證明它們是否在13排地松鼠冬眠時發生。
為了做到這一點，他們在實驗室裡向試驗松鼠的血液中注入了“雙標記”尿素，這意味著尿素的碳原子是13C而不是通常的12C，氮原子是15N而不是通常的14N。這些標籤使他們能夠透過尿素氮回收過程的不同步驟追蹤尿素來源的碳和氮。
為首的這一過程,他們發現從最初從血液進入腸道運輸尿素,尿素的分解成它的組成部分透過腸道微生物,流動的物質叫做metabolites-containing尿素氮回動物,最後的最終出現尿素氮在組織蛋白質。
Regan說:“本質上，在這些不同步驟的代謝物中發現13C和/或15N，表明它們來自尿素，因此，冬眠動物使用的是尿素氮回收物。”
他在一年中的三個時間對有和沒有腸道微生物群的松鼠進行實驗:夏天，它們活躍而不冬眠;初冬時，他們禁食和冬眠一個月;冬末，他們禁食和冬眠了四個月。
“氮回收的明顯證據”
他們的發現是明確的:在過程的每一步，都有明確的證據表明，腸道微生物群落完整的松鼠回收了尿素氮。
重要的是，腸道微生物群落衰竭的松鼠在任何階段都沒有顯示出尿素氮回收的跡象，這證實了這一過程完全依賴於腸道微生物降解尿素的能力，而這是松鼠自身無法做到的。
Regan和他的團隊還發現了另外兩個重要的發現:
首先，冬後期松鼠組織蛋白中尿素氮的吸收量最高，說明隨著冬眠季節的進行，尿素氮回收更加活躍。這與冬眠期間的大多數生理過程不同，在冬眠期間往往會顯著減少。
第二，有證據表明，這些微生物本身利用尿素氮來製造自己的新蛋白質，這對它們很有用，因為它們和松鼠一樣，處於禁食的冬眠狀態。因此，松鼠和它的微生物都從尿素氮回收中受益，這使這一過程成為一個真正的共生關係。
里根說，這意味著松鼠在春天從冬眠中醒來時身體狀況良好。這一點很重要，因為這是一年中唯一的交配季節，也是雄性和雌性進行激烈體力活動的時候，它們剛從冬眠中出來。因此，組織功能——尤其是肌肉組織功能——對於成功的交配季節非常重要。
Regan說:“透過促進冬眠季節後期肌肉蛋白質的合成，尿素氮回收可能有助於最佳化初出松鼠的肌肉功能，有助於它們在交配季節的繁殖成功。”“因此，尿素氮回收可以提高動物的整體生物適應性。”
飢餓的群眾和老年人
除了對太空旅行和宇航員健康的影響之外，里根的發現現在可能對地球上的不發達國家的飢餓群眾和老年人產生更直接的影響。
全球有數億人因各種狀況而出現肌肉萎縮——例如，營養不良影響了全球8.05億人。在加拿大更為普遍的是肌肉減少症，這是一種與年齡相關的肌肉質量下降，由合成代謝不敏感引起，影響所有人，導致40至80歲之間骨骼肌質量下降30%至50%。
Regan說:“哺乳動物，比如13線地松鼠，在自身氮有限的情況下，自然進化出了保持蛋白質平衡的機制，這可能會為其他氮有限的動物(包括人類)最大化健康提供策略。”一種解決方案可能是開發一種益生菌藥，人們可以服用這種藥來促進腸道微生物群，就像冬眠的松鼠一樣。
Regan說:“需要明確的是，這些應用雖然在理論上是可行的，但距離交付還有很長的路要走。要將這種自然進化的機制安全有效地應用於人類，還需要做很多額外的工作。”
“但讓我感到鼓舞的是，上世紀90年代初的一項研究提供了一些證據，表明人類能夠透過同樣的過程回收少量的尿素氮。這表明必要的機制已經到位。它只是需要最佳化。”
