微生物帮助冬眠的动物循环营养，在冬天维持肌肉
十三排地松鼠蜷成一团进行季节性冬眠，这会使它们的新陈代谢率降低到清醒时活动的1%。图片来源:Rob Streiffer提供
当熊和地松鼠在冬天冬眠时，它们停止进食，仅仅依靠它们体内储存的脂肪储备维持到春天。通常，这种长时间的禁食和不活动会显著减少肌肉的质量和功能，但冬眠者不会遭受这种命运。然而，他们是如何避免的，一直是个谜。
现在，在《科学》杂志上发表的一项研究中，一位Université de Montréal的生物学家已经找出了原因，他的发现可能会对未来的太空旅行产生影响。通过研究北美常见的13线地松鼠，马修·里根证实了一种叫做“尿素氮回收”的理论，该理论可以追溯到20世纪80年代。
该理论假设，冬眠动物利用肠道微生物的一种代谢技巧，循环利用尿素中的氮，并利用它来生成新的组织蛋白质。尿素是一种通常以尿液形式排出的废物化合物。
这个发现在太空中会有什么用处呢?Regan认为，从理论上讲，通过帮助宇航员减少因微重力引起的蛋白质合成抑制而导致的肌肉损失问题，现在他们试图通过高强度锻炼来减少这些问题。
有观点认为，如果能找到一种方法，利用尿素氮回收来增加宇航员肌肉蛋白质的合成过程，他们就能在太空飞船中实现更好的肌肉健康，因为飞船太小，不适合通常的锻炼设备。
“因为我们知道哪些肌肉蛋白质在太空飞行中被抑制，我们可以将这些蛋白质与那些在冬眠中被尿素氮回收所增强的蛋白质进行比较，”里根说，他在威斯康星大学麦迪逊分校做博士后时进行了这项研究。
现在，他在加拿大航天局的研究资助下继续他的工作，去年，他在生物科学系担任动物生理学助理教授。
“如果，”里根继续说，“太空飞行中的蛋白质和冬眠中的蛋白质之间有重叠，那么这表明这个过程可能对太空飞行中的肌肉健康有好处。”
冬眠动物模型
在他的研究中，Regan设计了一系列的技术和实验来调查尿素回收过程中的主要步骤，并提供证据，以证明它们是否在13排地松鼠冬眠时发生。
为了做到这一点，他们在实验室里向试验松鼠的血液中注入了“双标记”尿素，这意味着尿素的碳原子是13C而不是通常的12C，氮原子是15N而不是通常的14N。这些标签使他们能够通过尿素氮回收过程的不同步骤追踪尿素来源的碳和氮。
为首的这一过程,他们发现从最初从血液进入肠道运输尿素,尿素的分解成它的组成部分通过肠道微生物,流动的物质叫做metabolites-containing尿素氮回动物,最后的最终出现尿素氮在组织蛋白质。
Regan说:“本质上，在这些不同步骤的代谢物中发现13C和/或15N，表明它们来自尿素，因此，冬眠动物使用的是尿素氮回收物。”
他在一年中的三个时间对有和没有肠道微生物群的松鼠进行实验:夏天，它们活跃而不冬眠;初冬时，他们禁食和冬眠一个月;冬末，他们禁食和冬眠了四个月。
“氮回收的明显证据”
他们的发现是明确的:在过程的每一步，都有明确的证据表明，肠道微生物群落完整的松鼠回收了尿素氮。
重要的是，肠道微生物群落衰竭的松鼠在任何阶段都没有显示出尿素氮回收的迹象，这证实了这一过程完全依赖于肠道微生物降解尿素的能力，而这是松鼠自身无法做到的。
Regan和他的团队还发现了另外两个重要的发现:
首先，冬后期松鼠组织蛋白中尿素氮的吸收量最高，说明随着冬眠季节的进行，尿素氮回收更加活跃。这与冬眠期间的大多数生理过程不同，在冬眠期间往往会显著减少。
第二，有证据表明，这些微生物本身利用尿素氮来制造自己的新蛋白质，这对它们很有用，因为它们和松鼠一样，处于禁食的冬眠状态。因此，松鼠和它的微生物都从尿素氮回收中受益，这使这一过程成为一个真正的共生关系。
里根说，这意味着松鼠在春天从冬眠中醒来时身体状况良好。这一点很重要，因为这是一年中唯一的交配季节，也是雄性和雌性进行激烈体力活动的时候，它们刚从冬眠中出来。因此，组织功能——尤其是肌肉组织功能——对于成功的交配季节非常重要。
Regan说:“通过促进冬眠季节后期肌肉蛋白质的合成，尿素氮回收可能有助于优化初出松鼠的肌肉功能，有助于它们在交配季节的繁殖成功。”“因此，尿素氮回收可以提高动物的整体生物适应性。”
饥饿的群众和老年人
除了对太空旅行和宇航员健康的影响之外，里根的发现现在可能对地球上的不发达国家的饥饿群众和老年人产生更直接的影响。
全球有数亿人因各种状况而出现肌肉萎缩——例如，营养不良影响了全球8.05亿人。在加拿大更为普遍的是肌肉减少症，这是一种与年龄相关的肌肉质量下降，由合成代谢不敏感引起，影响所有人，导致40至80岁之间骨骼肌质量下降30%至50%。
Regan说:“哺乳动物，比如13线地松鼠，在自身氮有限的情况下，自然进化出了保持蛋白质平衡的机制，这可能会为其他氮有限的动物(包括人类)最大化健康提供策略。”一种解决方案可能是开发一种益生菌药，人们可以服用这种药来促进肠道微生物群，就像冬眠的松鼠一样。
Regan说:“需要明确的是，这些应用虽然在理论上是可行的，但距离交付还有很长的路要走。要将这种自然进化的机制安全有效地应用于人类，还需要做很多额外的工作。”
“但让我感到鼓舞的是，上世纪90年代初的一项研究提供了一些证据，表明人类能够通过同样的过程回收少量的尿素氮。这表明必要的机制已经到位。它只是需要优化。”
