“花”非“花” “观”磁场

《中国科学报》 2021-06-24 09:45:05

记者 韩扬眉

北极燕鸥每年往返4万公里于南北极、可可西里藏羚羊上千公里大迁徙、黑脉金斑蝶四代接力往返北美大陆……自然界中,许多生物似乎不需要借助外物,便可完成令人惊叹的长距离迁徙,它们究竟是如何导航和定位的?

近日,中国科学院合肥物质科学研究院研究员谢灿与英国牛津大学教授霍尔、德国奥登堡大学教授莫里特森等人组成的国际团队研究发现,迁徙鸟类的隐花色素4蛋白比非迁徙鸟类中的磁场敏感性更强,揭示了由该蛋白介导的磁感应机理。相关研究成果6月23日以封面文章形式发表于《自然》。

生物“方向感”之争

过去数十年里,科学家一直在找寻动物身上的“指南针”究竟源自何处。随着迁徙鸟类能感知地磁场的证据陆续被找到,科学家们逐渐关注到“生物能够感知地磁场”,并尝试解读生物感知磁场的机制。

这种生物“磁感应”也被形容为“第六感”。“生物磁感应领域从一开始就在质疑和希望中前行。”谢灿感慨道。

从上世纪六七十年代,迁徙动物能感知地磁场概念才被学术界广泛接受,到2000年科学家发现,隐花色素Cryptochrome很可能就是鸟类磁导航过程中的关键分子。后来,隐花色素蛋白一直被认为是磁受体蛋白的“唯一候选者”。

隐花色素蛋白是一种对蓝光敏感的蛋白。它与黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)形成的自由基电子对在调节生物钟及感应磁场中发挥着重要的作用。FAD其实就是维生素B2—— 一种氧化还原的辅酶。它吸收蓝光,并被还原,从临近的色氨酸上夺取电子,这就是“电子转移”,未配对的电子形成了自由基对。

2015年,谢灿团队在《自然—材料》上首次报道了一个全新的磁受体蛋白MagR,为揭开“第六感”磁觉之谜提供了第二位“候选者”。

谢灿直言,目前动物磁感应机理还是一个未解之谜,并没有一个能被整个领域广泛接受的模型,无论是隐花色素蛋白,还是MagR蛋白,都处在争议当中。

眼睛或暗藏秘密之“匙”

正是MagR蛋白的发现,促成了谢灿与霍尔和莫里特森等国际团队的合作,他们都长期从事生物磁感应领域研究。

“我们想从实验上验证自由基对磁感应这一假说,即测试隐花色素蛋白的磁场效应,而蛋白样品是测试的基石。重组蛋白表达并纯化,必不可少。”莫里特森的博士生、论文第一作者许静静告诉《中国科学报》。

令人振奋的是,谢灿团队有独特的蛋白表达纯化系统和在磁感应蛋白上的丰富经验,能有效纯化并制备出大量折叠正确并结合了FAD辅基的隐花色素蛋白。

“可以说,FAD是磁敏感的隐花色素蛋白的‘心脏’。”许静静说,结合FAD的隐花色素蛋白样品才具有生物活性。

莫里特森说:“大量制备结合FAD的鸟类隐花色素蛋白是一项重大成就,也是本次研究的关键第一步。”

在前期的合作中,由谢灿实验室制备的隐花色素和磁受体蛋白跨越大洋到达牛津大学霍尔实验室,但研究人员发现这些蛋白在长途的运输和冻融过程中,蛋白活性大大下降。

为了解决这一难题,2016年11月,许静静来到谢灿课题组,进行了两个月蛋白纯化的科学训练。

又经过半年的实验和优化,许静静搭建好稳定、高效的蛋白表达纯化平台,第一次大量制备了几种不同鸟类包括夜间迁徙的欧洲知更鸟的隐花色素4蛋白。此后的两年多,许静静每次在德国莫里特森实验室制备好隐花色素蛋白样品后,当天就带着样品乘飞机抵达英国牛津大学进行紧张的实验。

已有研究表明,鸟类的视网膜中存在隐花色素蛋白,合作者在牛津实验室使用多种磁共振和新的光谱技术研究了制备的蛋白质样品,证明了它对磁场具有高度敏感性。

“隐花色素蛋白受蓝光激发后发生电子转移,这一点在磁感应过程中至关重要。”莫里特森解释说。蛋白质分子由一连串氨基酸组成。隐花色素4有527个氨基酸,其中的4个色氨酸对于磁敏性尤为重要。量子力学的计算结果表明,电子可能从一个色氨酸转移到下一个色氨酸,产生了磁敏感自由基对。

实验测试也证实了这4个色氨酸组成的电子传递链,且由此产生的自由基对在解释观测到的磁场效应方面是必不可少的。

这也意味着研究人员从实验上用迁徙鸟类的隐花色素蛋白验证了自由基对假说。

“牵手”竞争对手

不过,研究人员坦承,这并不能确切证实隐花色素4就是他们正在寻找的磁感受分子,因为在这项研究中,研究人员对单独的蛋白质进行了体外测试,并且实验中使用的磁场强于地磁场。

“但这些结果非常重要,因为它们第一次表明迁徙鸟类视觉器官中的一个蛋白质分子对磁场很敏感。但磁感应是否真的发生于鸟类眼睛中,这需要进一步证实,只是目前在技术上还无法实现。”莫里特森说。

研究人员还认为,这些蛋白质在自然环境中的磁敏感程度应该更高。此外,与隐花色素结合的其他蛋白,也可能通过某种机制放大磁敏感性,使得鸟对微弱地磁场的检测成为可能。

“我们以非常开放的态度,寻找其他可能参与这一复杂过程的蛋白质,不能轻易排除任何可能的互作蛋白和可能的磁感应机制。”谢灿说。

事实上,莫里特森曾对谢灿团队发现的MagR蛋白持有质疑态度,甚至写了一篇长文来反驳,尽管如此,也丝毫不影响他们彼此之间的合作。

谢灿告诉《中国科学报》,“即使在本研究中,我们三人也经常会有学术观点的分歧,但我们的目标是一致的,就是通过严谨的实验逐步揭开动物磁感应和生物导航的神秘机制。”

在谢灿看来,磁感应和生物导航原理的阐明,可能引发物理学新模型的提出、生物学新机理的发现,甚至将推动新一代的仿生导航仪和定位仪,以及生物磁控技术的发展。

“磁感应和生物导航的机理尚未明确,我和莫里特森、霍尔还将长期合作下去,也期待更多不同研究背景的科学家加入。”谢灿说。

磁场

免责声明:市场有风险,选择需谨慎!此文仅供参考,不作买卖依据。