Microbiologie in hapklare porties
Dwalen in de darm van de grondeekhoorn
Heb je jezelf eens afgevraagd hoe grondeekhoorns de lange periodes van wintervasten overleven? Wat ze aanspoort om zo lang in winterslaap te gaan, en hoe ze hun oorspronkelijke fysiologie behouden wanneer ze tot 1,2 meter diep onder hun hol liggen (ongeveer 4 feet)? Sommige wetenschappers wel, en ze onderzochten een van de vele mogelijke verklaringen: de darmflora.
In 2022 ontdekte een groep onderzoekers (aan de Universiteit van Wisconsin-Madison), dat bij grondeekhoorns (Ictidomys tridecemlineatus) de aangeboren ureum-afbrekende microben in de darmen een belangrijke rol spelen in de winterslaap – een strategie die zoogdieren gebruiken om hun lichaamswarmte en energie te behouden tijdens lange periodes van vasten wanneer er weinig/geen voedsel beschikbaar is.
Net als alle darmmicrobiota, beïnvloeden deze ureolytische bacteriën de energiebalans, torpor-patronen (de fase wanneer het metabolisme vertraagt een paar dagen voordat de winterslaap begint) en de staat van opgewondenheid door te focussen op het stabiliseren van de stikstofbalans tijdens de seizoensveranderingen.
De onderzoeksgroep verdeelde de testdieren in 3 groepen: De zomer groep, wanneer eekhoorns het meest actief zijn, de vroege winter groep(een maand van winterslaap en vasten), en de late winter groep (3-4 maanden van winterslaap en vasten). Alle groepen werden behandeld met antibiotica om de darmen bacterievrij te maken. Daarna werden de eekhoorns nog eens geïnjecteerd met ureum om microbiële darmactiviteit te meten.
Ze ontdekten dat de ureolytische bacteriën in de darmen ureum omzetten in twee moleculen: ammoniak en koolstofdioxide. Dit mechanisme dat gebruikt wordt voor deze omzetting heet de ‘ureum-stikstof redding/opslag’ en gebruikt het enzym urease. Ammoniak wordt daarna gebruikt voor de productie van aminozuren en eiwitten.
De darmbacteriën krijgen ureum uit het bloed, dat afkomstig is uit de lever door een process genaamd hepatetische ureum synthese. Dit ureum, wat niet was uitgescheiden door de nieren, komt terecht in het darmlumen waar de ureolytische bacteriën zitten. De bacteriën gebruiken ammoniak (product van urease activiteit) als stikstofbron voor de productie van aminozuren, die weer worden opgenomen door de bloedsomloop van de gastheer/eekhoorn. Dit is waarom eekhoorns een lager ureum-gehalte in het bloed vertonen in de late winter vergeleken met de zomer, wanneer ze niet in hun winterslaap zitten.
Een eerder onderzoek uitgevoerd door Hannah V. Carey et al. toonde aan dat grondeekhoorns een dynamisch microbioom hebben, dat zichzelf hervormde door de acetaat- en butyraatgehaltes te verhogen en het ammoniakgehalte te verlagen tijdens de winterslaap. Ze stelden vast dat de microbiële soorten variëerden naargelang de seizoensveranderingen en bijgevolg het darmmilieu veranderen naarmate de beschikbare substraten verschuiven van dieet-afkomstig naar gastheer-afkomstig.
Tijdens de zomer bijvoorbeeld, zijn de eekhoorns het meest actief met een gezonde darmflora en een hoog ureumgehalte, die er ook is gedurende de vroege winter. Zeer interessant is dat tijdens de late winterslaap periode bij de meeste darmbacteriën de genen voor ureolytische activiteit actief zijn, waardoor er ze een hoger ureolytisch potentiaal vertonen in de late winter. Gedurende deze 3-4 maanden observeerden de onderzoekers dat het ureum in de bloedsomloop, microbiële urease activiteit en het CO2-gehalte afnam. Allemaal terwijl er constant ureum werd toegevoegd aan de aminozuren van de eekhoorn, en zo het lichaamsgewicht en de eiwitgehaltes van de eekhoorn in stand hield ondanks het langdurige vasten tijdens de winterslaap.
Dus het ureum-stikstof reddings/opslag mechanisme gebruikt door deze ureolytische bacteriën speelt een belangrijke rol bij grondeekhoorns voor de aanpassing en overleving tijdens voedselschaarste door de seizoensveranderingen. Deze strategie heeft 2 grote voordelen. Ten eerste, omdat de stikstofbalans en de eiwitfunctionaliteit wordt behouden ondanks het tekort aan voedingsmiddelen en het nabije paringsseizoen. Dit kan voordelig zijn tijdens de late winterslaap periode voor competitieve reproductie. En ten tweede, omdat er minder urine geproduceerd wordt zodat water beter wordt opgeslagen in het systeem van de gastheer. Door het gebruiken van de ureum uit de bloedsomloop en het weg te leiden van de nieren helpen deze ureolytische darmbacteriën bij het opslaan van water voor de gastheer.
Dit onderzoeksgebied is vooral belangrijk voor ons om de effecten van een stikstofarm dieet en sarcopenie te overwinnen. Sarcopenie is herkenbaar door verminderde spiermassa, spierkracht en fysieke presentaties. Wereldwijd hebben veel mensen er last van. Een goed begrip van het verzachten van stikstof stress (bij overwinteraars zoals eekhoorns) met behulp van het ureum-stikstof reddings/opslag mechanisme, zou ons zeker kunnen helpen om strategieën te ontwikkelen om spierbehoud bij mensen te verbeteren in mensen, vindt je ook niet?
Link to the original post: Regan, M.D. et al. 27 January 2022. Nitrogen recycling via gut symbionts increases in groun squirrels over the hibernation period. Science (375), 6579, 460-463. DOI: 10.1126/science.abh2950
Featured image: https://eol.org/pages/1178597
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 