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Harnstoff-Recycling

Dank Darmflora muskulös durch den Winterschlaf

Ein Dreizehnstreifen-Hörnchen beim Winterschlaf. (Bild: Photo courtesy Rob Streiffer)

Wie kommen manche Tiere ohne große Verluste an Muskelmasse durch den Winterschlaf? Offenbar helfen ihnen dabei Harnstoff-recycelnde Darmmikroben, zeigt eine Studie an nordamerikanischen Erdhörnchen. Das stickstoffreiche Abbauprodukt, das normalerweise im Urin landet, wird bei ihnen demnach verstärkt in den Darm abgegeben. Dort bauen bestimmte Bakterien den Harnstoff in Stickstoffverbindungen um, die die Tiere als Nährstoffe aufnehmen können. Durch diese Eiweißbausteine können sie dann den Abbau von Muskelgewebe in der inaktiven Zeit eindämmen. Wie die Forscher erklären, könnte in diesem Konzept Potenzial für die Medizin und sogar für die Raumfahrt stecken.

Einige Säugetiere verschlafen bekanntlich die monatelange karge Winterzeit. Dabei ist zwar ihr Stoffwechsel stark heruntergefahren, dennoch ist aber eine Grundversorgung mit bestimmten Substanzen nötig. Sie werden dazu aus Fett mobilisiert, aber auch aus Muskelgewebe. Durch den entsprechenden Abbau – sowie generell beim Proteinstoffwechsel – entsteht allerdings die Stickstoffverbindung Ammonium, die dann weiter in Harnstoff umgewandelt wird. Da hohe Konzentrationen dieser Substanz für Neuronen giftig sind, wird Harnstoff normalerweise mit dem Urin ausgeschieden. Durch den Prozess verliert der Körper somit ständig verwertbare Stickstoffverbindungen, die für den Aufbau von Proteinen nachgeliefert werden müssen.

Da im Winterschlaf oft keine Versorgung über eine Nahrungsaufnahme erfolgt, müsste bei den Tieren eigentlich ein starker Muskelschwund einsetzen. Doch erstaunlicherweise ist das nicht der Fall: Viele Winterschläfer können ihre Muskelmasse stabil halten. Es gab bereits Annahmen dazu, dass dies durch Recyclingprozesse von Harnstoff mithilfe von Darmbakterien möglich ist. Um dies nun klar zu belegen, haben die Forscher um Matthew Regan von der University of Wisconsin-Madison Experimente mit Dreizehnstreifen-Hörnchen (Ictidomys tridecemlineatus) durchgeführt. Diese in Nordamerika verbreiteten Kleinsäuger halten in ihren unterirdischen Bauten bis zu sieben Monate lang Winterschlaf.

Markiertem Harnstoff auf der Spur

Für die Studie injizierten die Forscher ihren Versuchstieren zu verschiedenen Phasen des Winterschlafs doppelt markierten Harnstoff. Das bedeutet: Im Gegensatz zu der normalen Substanz bestand diese Version aus Isotopen von Stickstoff- sowie Kohlenstoff. Diese speziellen Bestandteile ermöglichten es den Wissenschaftlern, den aus dem markierten Harnstoff stammenden Kohlenstoff und Stickstoff durch die verschiedenen Schritte des Prozesses der vermuteten Harnstoff-Stickstoff-Rückgewinnung zu verfolgen.

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Durch ihre Analyseverfahren konnten die Forscher aufzeigen, dass der Harnstoff aus dem Blut der Tiere in deren Darm abgegeben wird. Dort wird er dann von speziellen Bakterien aufgegriffen, die ihn verstoffwechseln können – was Säugetieren nicht möglich ist. Denn nur Mikroben bilden sogenannte Ureasen – Enzyme, die den Harnstoff in verwertbare Bestandteile aufbrechen können. Die Bakterien verwandeln diese dann in Aminosäuren, die sie selber nutzen. Doch ein erheblicher Teil wird in Form von verwertbaren Stickstoffverbindungen offenbar auch von den Erdhörnchen aufgenommen: Die Forscher konnten die markierten Substanzen schließlich in der Leber und im Muskelgewebe der Tiere nachweisen.

Raffinierte Wiederverwertung

Damit zeichnet sich das Prinzip nun deutlich ab: Harnstoff, der aus dem Proteinstoffwechsel der Tiere stammt, kann über die Funktion der Darmbakterien erneut dem Aufbau und Erhalt von Muskelmasse dienen. Tests mit Hörnchen, bei denen die Forscher durch Antibiotikagaben die natürliche Darmflora beeinträchtigt hatten, zeigten dabei die entscheidende Rolle der Mikroben noch einmal besonders deutlich auf: Bei diesen Versuchstieren landeten kaum Bestandteile des markierten Harnstoffs im Muskelgewebe.

Aus den Untersuchungen ging zudem hervor, dass der Einbau von Harnstoff-Stickstoff in die Gewebeproteine der Hörnchen im Spätwinter am intensivsten war. Vermutlich dient dies der Stärkung für das baldige Erwachen, erklären die Wissenschaftler. Das ist wichtig, da bei den Dreizehnstreifen-Hörnchen die kräftezehrende Paarungszeit direkt nach dem Winterschlaf beginnt. „Die Harnstoff-Stickstoff-Rückgewinnung könnte daher die allgemeine biologische Fitness der Tiere verbessern“, so Regan.

Potenzial für Medizin und Raumfahrt

Neben der biologischen Bedeutung ist für den Wissenschaftler allerdings auch der mögliche Nutzen der Erkenntnisse für den Menschen ein wichtiges Thema. Wie er erklärt, könnte in dem tierischen Konzept Potenzial für Medizin und Raumfahrt stecken. Denn Muskelschwund ist bei älteren Menschen ein wichtiges Gesundheitsproblem, er tritt aber auch bei längerer Inaktivität sowie bei Aufenthalten im Weltraum auf. „Die Mechanismen, die Säugetiere wie das Dreizehnstreifen-Hörnchen auf natürliche Weise entwickelt haben, um das Eiweißgleichgewicht in ihren eigenen stickstoffbegrenzten Situationen aufrechtzuerhalten, können Strategien zur Maximierung der Gesundheit anderer stickstoffbegrenzter Lebewesen aufzeigen – einschließlich des Menschen“, sagt Regan. Konkret wäre ihm zufolge etwa eine probiotische Pille denkbar, die Menschen einnehmen könnten, um ein Darmmikrobiom zu fördern, das über die Ernährung hinaus für eine optimierte Versorgung mit Stickstoffverbindungen sorgen kann.

Was die Raumfahrt betrifft, sagt Regan: „Da man bereits weiß, welche Muskelproteine während des Raumflugs unterdrückt werden, können wir diese Proteine jetzt mit denen vergleichen, die durch die Harnstoff-Stickstoff-Rückgewinnung während des Winterschlafs verstärkt werden“, so Regan. Möglicherweise wird dabei Potenzial deutlich, die Muskelproteinsynthese der Astronauten zu steigern, so das Argument. Abschließend betont der Wissenschaftler allerdings: „All diese Anwendungen erscheinen zwar theoretisch möglich, sind aber noch weit von der Umsetzung entfernt, und es ist noch viel Arbeit nötig, um diesen Mechanismus sicher und effektiv auf den Menschen zu übertragen“, gibt Regan zu bedenken.

Quelle: University of Montreal, University of Wisconsin-Madison, Fachartikel: Science, doi: 10.1126/science.abh2950

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