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.
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.
