Lo que el “sueño” de las ardillas puede aportar a los viajes espaciales

Para pasar un largo invierno sin comida, los animales que hibernan, como las ardillas de tierra de trece franjas (Ictidomys tridecemlineatus), pueden ralentizar su metabolismo hasta en un 99 por ciento, pero aún necesitan nutrientes importantes como proteínas para mantener los músculos mientras hibernan. Un nuevo estudio muestra que los microbios de los intestinos de estos animales juega un papel clave en la hibernación, un descubrimiento que podría ayudar a tratar a las personas con distrofias musculares e incluso a los futuros astronautas que emprendan viajes espaciales de larga duración.

"Cuanto más tiempo no hace ejercicio un animal, los huesos y los músculos comienzan a atrofiarse y pierden masa y función", dice Hannah Carey, coautora del trabajo que se publica este jueves en la revista Science. "Sin ninguna proteína dietética que ingrese, los hibernadores necesitan otra forma de obtener lo que necesitan sus músculos".

Una fuente de nitrógeno, un “ingrediente” necesario para la fabricación de aminoácidos y proteínas, se acumula en los cuerpos de todos los animales en forma de urea, un componente de la orina. Los investigadores sabían que la urea que se movía hacia el tracto digestivo de las ardillas podía ser descompuesta por algunos microbios intestinales, que también necesitan nitrógeno para sus propias proteínas. Pero los investigadores querían ver si parte de ese nitrógeno ureico liberado por los microbios también se incorporaba a los cuerpos de las ardillas.

Ardillas aletargadas

Para responder a esta incógnita el equipo de Matthew D. Regan inyectó urea hecha con isótopos rastreables de carbono y nitrógeno en la sangre de las ardillas en tres etapas: durante los días activos del verano, a principios de la hibernación invernal y al final del invierno. Algunas de las ardillas también habían sido tratadas con antibióticos para eliminar la mayoría de los microbios en sus intestinos. Como se predijo, algunos de los microbios intestinales liberaron nitrógeno que contenía isótopos que degradaron la urea inyectada. 

De esta forma, Regan y sus colaboradores han confirmado una teoría conocida como "rescate de nitrógeno de urea" que se remonta a la década de 1980.Y profundiza en la línea iniciada por trabajos anteriores con la hibernación de los osos en los que se había visto que la composición de la microbiota del intestino puede influir en la cantidad de energía almacenada proveniente de la dieta. 

Moléculas recicladas

"Seguimos ese nitrógeno hasta (los) hígados (de las ardillas), principalmente, donde se usa para producir muchas proteínas, y algo hasta los músculos", asegura Fariba Assadi-Porter, bioquímica especializada en el seguimiento de los isótopos y coautora del trabajo. "Creemos que estamos viendo que las moléculas de nitrógeno marcadas con isótopos van del huésped al microbioma, luego los microbios las convierten en moléculas utilizables antes de regresar al huésped nuevamente, esencialmente siendo 'recicladas' en el animal en hibernación".

Los investigadores observaron dos diferencias que respaldan este camino microbiano. Las ardillas que habían perdido una parte importante de los microbios intestinales por el tratamiento con antibióticos tenían mucho menos nitrógeno rastreable en el hígado y los músculos. Y cuando los investigadores secuenciaron los genomas de los microbios que se encuentran en los intestinos de las ardillas, encontraron que a medida que se prolongaba la hibernación invernal había un aumento en la presencia de genes relacionados con la producción de una enzima llamada ureasa.

“La ureasa no la fabrican los animales. Solo los microbios que expresan ureasa pueden dividir la molécula de urea y liberar su nitrógeno”

“La ureasa no la fabrican los animales. Solo los microbios que expresan ureasa pueden dividir la molécula de urea y liberar su nitrógeno”, dice Carey. "Mientras estén presentes los microbios correctos, es una transacción entre ellos y el huésped: cada uno obtiene algo del nitrógeno liberado para ayudarlos hasta que termine la hibernación".

Un plan para futuros astronautas

Según los autores, describir las claves para la supervivencia durante la hibernación podría ayudar a las personas con dietas bajas en nitrógeno o con trastornos que causan la atrofia de los músculos. Una solución podría ser desarrollar una píldora prebiótica o probiótica que las personas puedan tomar para promover un microbioma intestinal del tipo que tienen los hibernadores como las ardillas.

"Para ser claros, estas aplicaciones, aunque teóricamente posibles, están muy lejos de su entrega, y se necesita mucho trabajo adicional para traducir este mecanismo evolucionado naturalmente de manera segura y efectiva a los humanos", advierte Regan.“Pero una cosa que encuentro alentadora es que un estudio de principios de la década de 1990 proporcionó alguna evidencia de que los humanos son capaces de reciclar pequeñas cantidades de nitrógeno ureico a través de este mismo proceso. Esto sugiere que la maquinaria necesaria está en su lugar. Solo necesita ser optimizado”.

En un plano más especulativo, también podría hacer posible que los humanos realicen largos viajes a planetas distantes. Si se pudiera encontrar una manera de aumentar los procesos de síntesis de proteínas musculares de los astronautas utilizando nitrógeno de urea, podrían lograr una mejor salud muscular durante los viajes largos al espacio profundo en naves espaciales demasiado pequeñas para el equipo de ejercicio habitual, según este argumento.

"En teoría, este proceso podría reducir las tasas de pérdida muscular en el espacio, donde la exposición a la microgravedad conduce invariablemente a la atrofia muscular", dice Regan. “Y debido a que las características de la hibernación más allá de este proceso dependiente de los microbios intestinales confieren protección contra otros peligros de los vuelos espaciales, como la radiación ionizante, es teóricamente posible que, si se traducen a los humanos, los estados similares a la hibernación podrían resolver numerosos desafíos de los vuelos espaciales tripulados simultáneamente. 

Referencia: Urea nitrogen recycling via gut symbionts increases in hibernating ground squirrels over the winter (Science)  DOI 10.1126/science.abh2950