長い冬を食べ物なしで乗り切るために、冬眠する動物（ジュウサンセンジリスなど）は、代謝を99%も低下させるが、冬眠中も筋肉を維持するためにタンパク質などの重要な栄養素は必要だ。ウィスコンシン大学（UW）マディソン校の新しい研究によると、冬眠中のジリスは、腸内の微生物からこの助けを得ていることが明らかになった。この発見は、筋肉が衰弱している人や、宇宙飛行士の長期滞在に役立つかもしれない。2022年1月27日にサイエンス誌のオンライン版に掲載されたこの論文は「冬眠期におけるジリスの腸内共生細菌を介した窒素循環の増加（Nitrogen recycling via gut symbionts increases in ground squirrels over the hibernation season）」と題されている。
「どんな動物でも、運動しない期間が長くなればなるほど、骨や筋肉は萎縮し始め、質量や機能を失ってくる。」「食事性タンパク質が一切入ってこないため、冬眠者は、筋肉が必要とするものを得るための別の方法を必要としている。」と、UWマディソン大学獣医学部の名誉教授で、この新しい研究の共著者、Hannah Carey 博士は語っている。
アミノ酸とタンパク質の重要な構成要素である窒素の源の一つは、尿の成分である尿素として全ての動物(ヒトを含む)の体内に蓄積される。研究チームは、リスの消化管に移動した尿素が、一部の腸内細菌によって分解されることに気づいた。腸内細菌もまた、自らのタンパク質のために窒素を必要とする。しかし、この研究者らは、微生物によって解放された尿素の窒素の一部が、リスの体内にも取り込まれているかどうかを確かめたいと考えた。
研究チームは、追跡可能な炭素と窒素の同位体を用いて作った尿素を、夏の活動期、冬の冬眠期、冬の終わりの3回に分けてリスの血液に注射した。また、一部のリスには、腸内の微生物の大部分を死滅させるために抗生物質が投与された。予想通り、注入した尿素を分解した腸内微生物の一部から、同位体を含む窒素が放出された。
「我々は、その窒素が、主に、多くのタンパク質を作るために使用される（リスの）肝臓に行き、一部は筋肉に行くことを追跡した。」「我々は、同位体で標識された窒素分子が、宿主から微生物に行き、その後、微生物によって使用可能な分子に変換され、再び宿主に戻り、本質的に冬眠中の動物で "リサイクル "されていると確信している。」と、UWマディソンの名誉生化学者で、同位体の追跡を専門とする研究共同者のFariba Assadi-Porter博士は語っている。彼女は統合生物学と同大学の核磁気共鳴施設の科学者でもある。
この研究者らは、この微生物経路を裏付ける2つの違いを観察している。抗生物質によって腸内細菌が大きく減少したリスでは、肝臓と筋肉中の追跡可能な窒素の量がはるかに少なかったのである。そして、リスの腸内に存在する微生物のゲノムを解読したところ、冬の冬眠が長引くと、ウレアーゼという酵素の生産に関連する遺伝子の存在が増えることが判明したのである。
「ウレアーゼは動物が作るものではない。ウレアーゼを発現する微生物だけが、尿素分子を分解して窒素を放出することができる。」「適切な微生物が存在する限り、微生物と宿主の間で取引が行われ、それぞれが、冬眠が終了するまでの間、放出された窒素の一部を得ることができるのだ。」と、全米科学財団から研究助成を受けているCarey 博士は語った。
冬眠期間中の生存の鍵を解くことは、低窒素食の人々や、筋肉が萎縮するような障害を持つ人々の助けになるかもしれない。また、遠い惑星への長旅を可能にする可能性もある。
宇宙旅行者を冬眠状態にすれば、食料、水、酸素をそれほど摂取する必要がなくなり、廃棄物や二酸化炭素の発生も少なくなるので、膨大な重量と燃料を節約することができるのだ。
「このプロセスは、理論的には、微小重力にさらされると必ず筋肉が萎縮してしまう宇宙での筋肉の減少率を減らすことができる。」と、研究の共著者で、元UWマディソンの博士研究員、現在はモントリオール大学の動物生理学の教授であるMatthew Regan 博士は言う。「そして、この腸内細菌に依存するプロセスを超えた冬眠の特徴は、電離放射線など、宇宙飛行の他の危険からの保護を与えるので、もし、ヒトに置き換えると、冬眠に似た状態が、人間の宇宙飛行の多くの課題を同時に解決できる可能性が理論的にあるだろう。」
冬眠のために丸くなったジュウサンセンジリスは、代謝率を起きているときの1％にまで落とすことができる。
(Credit: Photo courtesy of Rob Streiffer)
BioQuick News：Gut Symbionts Help Hibernating Ground Squirrels Recycle Nitrogen and Maintain Muscle Through Winter
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