Что зимующие белки могут рассказать космонавтам

Когда медведи и суслики впадают в спячку, они перестают есть, существуя до весны лишь за счёт накопленных жировых запасов. Обычно такое длительное голодание и бездействие значительно снижает массу и функцию мышц, но у впадающих в спячку этого не происходит. Почему — оставалось загадкой.

В исследовании, опубликованном в Science, биолог из Университета Монреаля нашёл ответ. Его открытие может иметь значение для будущего космических путешествий. Изучая обычного в Северной Америке тринадцатиполосого суслика, Мэтью Риган подтвердил теорию «утилизации азота мочевины», известную с 1980-х годов.

Теория предполагает, что впадающие в спячку используют метаболический трюк своих кишечных микробов, чтобы перерабатывать азот из мочевины (отходов, обычно выводимых с мочой) и использовать его для создания новых тканевых белков.

Как это открытие может быть полезно в космосе? Теоретически, оно может помочь астронавтам минимизировать потерю мышечной массы, вызванную подавлением синтеза белка в условиях микрогравитации. Сейчас они борются с этим с помощью интенсивных упражнений.

Если найти способ усилить у астронавтов синтез мышечного белка с помощью утилизации азота мочевины, они смогут лучше сохранять здоровье мышц во время длительных полётов в глубокий космос на кораблях, слишком маленьких для обычного спортивного оборудования.

«Поскольку мы знаем, какие мышечные белки подавляются во время космического полёта, мы можем сравнить их с белками, синтез которых усиливается при утилизации азота мочевины во время спячки», — говорит Риган, проводивший это исследование в качестве постдока в Университете Висконсин-Мэдисон.

Модельный объект для спячки

В исследовании Риган разработал серию экспериментов, чтобы изучить основные этапы процесса утилизации мочевины у тринадцатиполосого суслика во время спячки.

Для этого в кровь подопытных белок вводили «двойную меченую» мочевину: атом углерода был ¹³C вместо обычного ¹²C, а атомы азота — ¹⁵N вместо ¹⁴N. Эти метки позволили отследить углерод и азот из мочевины на разных этапах процесса.

Учёные проследили путь: от переноса мочевины из крови в кишечник, до её расщепления кишечными микробами на составные части, затем — поток метаболитов, содержащих азот мочевины, обратно в организм животного, и, наконец, появление этого азота в тканевых белках.

«По сути, обнаружение ¹³C и/или ¹⁵N в метаболитах на этих этапах указывало на их происхождение из мочевины и, следовательно, на использование сусликом утилизации азота мочевины», — пояснил Риган.

Эксперименты проводили на белках с нормальной и истощённой микробиотой в три времени года: летом (активный период), в начале зимы (через месяц после начала голодания и спячки) и в конце зимы (через четыре месяца).

«Ясные доказательства утилизации азота»

Результаты были однозначными: на каждом этапе процесса у белок с нормальной микробиотой наблюдались явные признаки утилизации азота мочевины.

Важно, что у белок с истощённой микробиотой не было никаких признаков этого процесса, что подтвердило его полную зависимость от способности кишечных микробов расщеплять мочевину (чего сами суслики делать не могут).

Команда Регана также сделала два других важных вывода:

1. Инкорпорация азота мочевины в тканевые белки была максимальной в конце зимы. Это говорит о том, что утилизация азота мочевины становится более активной по мере прогрессирования спячки, в отличие от большинства физиологических процессов, которые в этот период сильно замедлены.
2. Микробы сами использовали азот мочевины для создания собственных новых белков. Это полезно для них, так как они, как и суслик, находятся в условиях голодающей спячки. Таким образом, и суслик, и его микробы получают выгоду, что делает этот процесс истинным симбиозом.

Это означает, что суслики выходят из спячки весной в хорошей форме. Это критически важно, потому что сразу после пробуждения у них начинается единственный в году брачный период, требующий интенсивной физической активности. Функция тканей, особенно мышечной, крайне важна для репродуктивного успеха.

«Способствуя синтезу мышечного белка в конце спячки, утилизация азота мочевины может оптимизировать функцию мышц у пробудившихся сусликов и способствовать их репродуктивному успеху», — говорит Риган.

Голодающие и пожилые люди

Помимо космических полётов, открытие Регана может иметь более непосредственное значение для Земли — для голодающего населения и пожилых людей.

Сотни миллионов людей во всём мире страдают от истощения мышц из-за различных состояний. Недоедание затрагивает более 805 миллионов человек. В Канаде более распространена саркопения — возрастное снижение мышечной массы из-за анаболической резистентности, которое поражает всех людей и приводит к потере 30–50% скелетной мускулатуры в возрасте от 40 до 80 лет.

«Механизмы, которые млекопитающие, такие как тринадцатиполосый суслик, естественным образом развили для поддержания белкового баланса в условиях дефицита азота, могут подсказать стратегии для улучшения здоровья других существ с ограничением азота, включая людей», — считает Риган.

Одним из решений может быть разработка пре- или пробиотической таблетки, которая будет способствовать формированию в кишечнике человека микробиоты, подобной той, что есть у впадающих в спячку животных.

«Чтобы быть ясным, эти приложения, хотя и теоретически возможны, ещё очень далеки от реализации. Потребуется много дополнительной работы, чтобы безопасно и эффективно адаптировать этот естественный механизм для человека», — предупреждает Риган.

«Но меня обнадёживает то, что исследование начала 1990-х годов предоставило некоторые доказательства, что люди способны перерабатывать небольшие количества азота мочевины через этот же процесс. Это говорит о том, что необходимый механизм уже есть. Его просто нужно оптимизировать».