Scoiattoli e Ibernazione, cosa possono insegnare agli astronauti?
Durante il periodo invernale, quando gli orsi e gli scoiattoli vanno in letargo, smettono di mangiare e rimangono fino a primavera semplicemente con le riserve di grasso che hanno immagazzinato nei loro corpi. Di solito, questo tipo di digiuno prolungato e di inattività ridurrebbe significativamente la massa e la funzione dei muscoli, ma queste specie, diversamente non subiscono tale processo. Tuttavia, come fanno ad evitarlo, è un mistero.
In una ricerca pubblicata su The conversation, un biologo dell’Université de Montréal ha capito il motivo e le sue scoperte potrebbero avere implicazioni, soprattutto per il futuro dei viaggi nello spazio. Attraverso lo studio di una specie chiamata scoiattolo di terra 13-lined (foderato) diffusa in Nord America, Matthew Regan ha confermato una teoria nota come “recupero dell’azoto ureico” che risale agli anni ’80.
Scoiattoli e Ibernazione: spiegato il meccanismo che gli permette di sopravvivere sfruttando le riserve di grasso
La teoria sostiene che gli ibernatori sfruttano la capacità di un meccanismo metabolico dei loro microbi intestinali per riciclare l’azoto presente nell’urea, un composto di scarto che di solito viene espulso come urina, e lo usano per costruire nuove proteine nei tessuti.
Come potrebbe questa scoperta risultare utile nello spazio? Teoricamente, ipotizza Regan, aiutando gli astronauti a minimizzare i loro problemi di perdita muscolare causati dalla soppressione della sintesi proteica indotta dalla microgravità e che ora cercano di ridurre esercitandosi intensamente.
Se si potesse trovare un modo per aumentare i processi di sintesi proteica muscolare degli astronauti utilizzando il recupero dell’azoto ureico, essi potrebbero essere in grado di ottenere una migliore salute muscolare durante i lunghi viaggi nello spazio profondo in veicoli spaziali troppo piccoli per le solite attrezzature di esercizio.
“Poiché sappiamo quali proteine muscolari sono soppresse durante il volo spaziale, possiamo confrontare queste proteine con quelle che sono migliorate dal recupero dell’azoto ureico durante l’ibernazione”, ha affermato Regan, che ha condotto questa ricerca durante un postdoc presso l’Università del Wisconsin-Madison.
Ora sta continuando il suo lavoro attraverso una borsa di ricerca dell’Agenzia Spaziale Canadese all’UdeM, dove l’anno scorso ha assunto una posizione come assistente professore di fisiologia animale nel Dipartimento di Scienze Biologiche.
“Se”, continua Regan, “c’è una sovrapposizione tra le proteine del volo spaziale e quelle dell’ibernazione, questo processo può avere benefici per la salute dei muscoli durante il volo spaziale”.
Scoiattoli e Ibernazione: un tipo di modello
Nel suo studio, Regan ha progettato una serie di tecniche ed esperimenti per indagare le fasi principali del processo di recupero dell’urea e fornire la prova se si verificano o meno nello scoiattolo di terra a 13 linee quando va in letargo.
Per fare questo, nel loro laboratorio hanno iniettato il sangue dei loro scoiattoli di prova con urea “doppiamente etichettata”, cioè l’atomo di carbonio dell’urea era 13C invece del solito 12C, e i suoi atomi di azoto erano 15N invece del solito 14N. Queste etichette hanno permesso loro di seguire il carbonio e l’azoto dell’urea attraverso le diverse fasi del processo di recupero dell’azoto dell’urea.
Hanno scoperto che questo processo ha portato dal trasporto iniziale di urea dal sangue all’intestino, alla ripartizione dell’urea nei suoi componenti da parte dei microbi intestinali, al flusso di sostanze chiamate metaboliti contenenti azoto ureico nell’animale, e infine all’eventuale comparsa di questo azoto ureico nelle proteine dei tessuti.
“Essenzialmente, vedere 13C e/o 15N nei metaboliti in questi vari passaggi indicava che avevano origine dall’urea, e quindi, che l’ibernatore stava usando il recupero dell’azoto ureico”, ha raccontato Regan.
Gli esperimenti sono stati condotti su scoiattoli con e senza microbioma intestinale in tre periodi dell’anno: estate, quando erano attivi e non in letargo; inizio inverno, quando erano un mese di digiuno e ibernazione; e fine inverno, quando erano quattro mesi di digiuno e ibernazione.
” Una chiara prova del recupero dell’azoto”
Ciò che hanno trovato è stato definitivo: in ogni fase del processo, c’era una chiara evidenza di recupero dell’azoto ureico da parte degli scoiattoli con microbiomi intestinali intatti.
È importante notare che gli scoiattoli con microbiomi intestinali impoveriti non hanno mostrato alcuna prova di recupero dell’azoto dell’urea in nessuna fase, confermando che questo processo dipende interamente dalla capacità dei microbi intestinali di decomporre l’urea, qualcosa che gli stessi scoiattoli non possono fare.
Regan e il suo team hanno anche fatto altre due importanti scoperte:
In primo luogo, l’incorporazione di azoto ureico nella proteina del tessuto degli scoiattoli era più alta durante il tardo inverno, suggerendo che il recupero dell’azoto ureico diventa più attivo con il procedere della stagione di ibernazione. Questo è diverso dalla maggior parte dei processi fisiologici durante l’ibernazione, quando tendono ad essere significativamente ridotti.
In secondo luogo, c’era la prova che i microbi stessi stavano usando l’azoto ureico per costruire le proprie nuove proteine, che è utile per loro perché, come lo scoiattolo, sono in condizioni di ibernazione a digiuno. Così, sia lo scoiattolo che i suoi microbi beneficiano del recupero dell’azoto ureico, il che rende questo processo una vera simbiosi.
Ciò significa, ha detto Regan, che gli scoiattoli emergono dal letargo in primavera in buona forma. Questo è importante perché l’unica stagione di accoppiamento dell’anno, che è un momento di intensa attività fisica sia per i maschi che per le femmine, si verifica direttamente dopo l’uscita dal letargo. La funzione dei tessuti – in particolare del tessuto muscolare – è quindi molto importante per il successo della stagione degli amori.
“Facilitando la sintesi proteica muscolare alla fine della stagione di ibernazione, il recupero dell’azoto ureico può aiutare a ottimizzare la funzione muscolare degli scoiattoli emergenti e contribuire al loro successo riproduttivo durante la stagione degli amori”, sostiene Regan. “Il salvataggio dell’azoto ureico può quindi migliorare la forma fisica biologica complessiva degli animali”.
Scoiattoli e Ibernazione: impatti immediati e notevoli anche sui paesi poveri e sugli anziani
Oltre alle implicazioni per i viaggi nello spazio e la salute degli astronauti, la scoperta di Regan potrebbe avere impatti più immediati proprio qui sulla Terra, nelle grandi popolazioni che muoiono di fame nel mondo sottosviluppato e negli anziani.
Centinaia di milioni di persone in tutto il mondo sperimentano l’atrofia muscolare come conseguenza di varie condizioni – la denutrizione, per esempio, colpisce oltre 805 milioni di persone nel mondo. Più prevalente in Canada è la sarcopenia, un declino della massa muscolare legato all’età che deriva dall’insensibilità anabolica che colpisce tutti gli esseri umani, portando a un declino dal 30 al 50 per cento della massa muscolare scheletrica tra i 40 e gli 80 anni.
“Per quanto riguarda i meccanismi evolutivi dei mammiferi, come lo scoiattolo di terra 13-lined, per mantenere l’equilibrio proteico nelle loro situazioni di azoto limitato, è possibile individuare strategie per massimizzare la salute di altri animali con azoto limitato, compresi gli esseri umani”, ha affermato Regan. Una soluzione potrebbe essere quella di sviluppare una pillola pre o probiotica che le persone possono assumere per promuovere un microbioma intestinale come quello degli ibernatori come gli scoiattoli.
“Per essere chiari, queste applicazioni, anche se teoricamente possibili, sono molto lontane dalla consegna, e un sacco di lavoro supplementare è necessario per tradurre questo meccanismo naturalmente evoluto in modo sicuro ed efficace per gli esseri umani”, sostiene Regan.
“Ma una cosa che trovo incoraggiante è che uno studio dei primi anni ’90 ha fornito alcune prove che gli esseri umani sono in grado di riciclare piccole quantità di azoto ureico attraverso questo stesso processo. Questo suggerisce che il meccanismo in questione è in atto. Ha solo bisogno di essere ottimizzato”.
