北極燕鷗每年往返4萬公里于南北極、可可西里藏羚羊上千公里大遷徙、黑脈金斑蝶四代接力往返北美大陸……自然界中，許多生物似乎不需要借助外物，便可完成令人驚嘆的長距離遷徙，它們究竟是如何導(dǎo)航和定位的?

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員謝燦與英國牛津大學(xué)教授霍爾、德國奧登堡大學(xué)教授莫里特森等人組成的國際團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，遷徙鳥類的隱花色素4蛋白比非遷徙鳥類中的磁場敏感性更強(qiáng)，揭示了由該蛋白介導(dǎo)的磁感應(yīng)機(jī)理。相關(guān)研究成果6月23日以封面文章形式發(fā)表于《自然》。

生物“方向感”之爭

過去數(shù)十年里，科學(xué)家一直在找尋動物身上的“指南針”究竟源自何處。隨著遷徙鳥類能感知地磁場的證據(jù)陸續(xù)被找到，科學(xué)家們逐漸關(guān)注到“生物能夠感知地磁場”，并嘗試解讀生物感知磁場的機(jī)制。

這種生物“磁感應(yīng)”也被形容為“第六感”。“生物磁感應(yīng)領(lǐng)域從一開始就在質(zhì)疑和希望中前行。”謝燦感慨道。

從上世紀(jì)六七十年代，遷徙動物能感知地磁場概念才被學(xué)術(shù)界廣泛接受，到2000年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隱花色素Cryptochrome很可能就是鳥類磁導(dǎo)航過程中的關(guān)鍵分子。后來，隱花色素蛋白一直被認(rèn)為是磁受體蛋白的“唯一候選者”。

隱花色素蛋白是一種對藍(lán)光敏感的蛋白。它與黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)形成的自由基電子對在調(diào)節(jié)生物鐘及感應(yīng)磁場中發(fā)揮著重要的作用。FAD其實就是維生素B2—— 一種氧化還原的輔酶。它吸收藍(lán)光，并被還原，從臨近的色氨酸上奪取電子，這就是“電子轉(zhuǎn)移”，未配對的電子形成了自由基對。

2015年，謝燦團(tuán)隊在《自然—材料》上首次報道了一個全新的磁受體蛋白MagR，為揭開“第六感”磁覺之謎提供了第二位“候選者”。

謝燦直言，目前動物磁感應(yīng)機(jī)理還是一個未解之謎，并沒有一個能被整個領(lǐng)域廣泛接受的模型，無論是隱花色素蛋白，還是MagR蛋白，都處在爭議當(dāng)中。

眼睛或暗藏秘密之“匙”

正是MagR蛋白的發(fā)現(xiàn)，促成了謝燦與霍爾和莫里特森等國際團(tuán)隊的合作，他們都長期從事生物磁感應(yīng)領(lǐng)域研究。

“我們想從實驗上驗證自由基對磁感應(yīng)這一假說，即測試隱花色素蛋白的磁場效應(yīng)，而蛋白樣品是測試的基石。重組蛋白表達(dá)并純化，必不可少。”莫里特森的博士生、論文第一作者許靜靜告訴《中國科學(xué)報》。

令人振奮的是，謝燦團(tuán)隊有獨特的蛋白表達(dá)純化系統(tǒng)和在磁感應(yīng)蛋白上的豐富經(jīng)驗，能有效純化并制備出大量折疊正確并結(jié)合了FAD輔基的隱花色素蛋白。

“可以說，F(xiàn)AD是磁敏感的隱花色素蛋白的‘心臟’。”許靜靜說，結(jié)合FAD的隱花色素蛋白樣品才具有生物活性。

莫里特森說：“大量制備結(jié)合FAD的鳥類隱花色素蛋白是一項重大成就，也是本次研究的關(guān)鍵第一步。”

在前期的合作中，由謝燦實驗室制備的隱花色素和磁受體蛋白跨越大洋到達(dá)牛津大學(xué)霍爾實驗室，但研究人員發(fā)現(xiàn)這些蛋白在長途的運輸和凍融過程中，蛋白活性大大下降。

為了解決這一難題，2016年11月，許靜靜來到謝燦課題組，進(jìn)行了兩個月蛋白純化的科學(xué)訓(xùn)練。

又經(jīng)過半年的實驗和優(yōu)化，許靜靜搭建好穩(wěn)定、高效的蛋白表達(dá)純化平臺，第一次大量制備了幾種不同鳥類包括夜間遷徙的歐洲知更鳥的隱花色素4蛋白。此后的兩年多，許靜靜每次在德國莫里特森實驗室制備好隱花色素蛋白樣品后，當(dāng)天就帶著樣品乘飛機(jī)抵達(dá)英國牛津大學(xué)進(jìn)行緊張的實驗。

已有研究表明，鳥類的視網(wǎng)膜中存在隱花色素蛋白，合作者在牛津?qū)嶒炇沂褂枚喾N磁共振和新的光譜技術(shù)研究了制備的蛋白質(zhì)樣品，證明了它對磁場具有高度敏感性。

“隱花色素蛋白受藍(lán)光激發(fā)后發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，這一點在磁感應(yīng)過程中至關(guān)重要。”莫里特森解釋說。蛋白質(zhì)分子由一連串氨基酸組成。隱花色素4有527個氨基酸，其中的4個色氨酸對于磁敏性尤為重要。量子力學(xué)的計算結(jié)果表明，電子可能從一個色氨酸轉(zhuǎn)移到下一個色氨酸，產(chǎn)生了磁敏感自由基對。

實驗測試也證實了這4個色氨酸組成的電子傳遞鏈，且由此產(chǎn)生的自由基對在解釋觀測到的磁場效應(yīng)方面是必不可少的。

這也意味著研究人員從實驗上用遷徙鳥類的隱花色素蛋白驗證了自由基對假說。

“牽手”競爭對手

不過，研究人員坦承，這并不能確切證實隱花色素4就是他們正在尋找的磁感受分子，因為在這項研究中，研究人員對單獨的蛋白質(zhì)進(jìn)行了體外測試，并且實驗中使用的磁場強(qiáng)于地磁場。

“但這些結(jié)果非常重要，因為它們第一次表明遷徙鳥類視覺器官中的一個蛋白質(zhì)分子對磁場很敏感。但磁感應(yīng)是否真的發(fā)生于鳥類眼睛中，這需要進(jìn)一步證實，只是目前在技術(shù)上還無法實現(xiàn)。”莫里特森說。

研究人員還認(rèn)為，這些蛋白質(zhì)在自然環(huán)境中的磁敏感程度應(yīng)該更高。此外，與隱花色素結(jié)合的其他蛋白，也可能通過某種機(jī)制放大磁敏感性，使得鳥對微弱地磁場的檢測成為可能。

“我們以非常開放的態(tài)度，尋找其他可能參與這一復(fù)雜過程的蛋白質(zhì)，不能輕易排除任何可能的互作蛋白和可能的磁感應(yīng)機(jī)制。”謝燦說。

事實上，莫里特森曾對謝燦團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的MagR蛋白持有質(zhì)疑態(tài)度，甚至寫了一篇長文來反駁，盡管如此，也絲毫不影響他們彼此之間的合作。

謝燦告訴《中國科學(xué)報》，“即使在本研究中，我們?nèi)艘步?jīng)常會有學(xué)術(shù)觀點的分歧，但我們的目標(biāo)是一致的，就是通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炛鸩浇议_動物磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航的神秘機(jī)制。”

在謝燦看來，磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航原理的闡明，可能引發(fā)物理學(xué)新模型的提出、生物學(xué)新機(jī)理的發(fā)現(xiàn)，甚至將推動新一代的仿生導(dǎo)航儀和定位儀，以及生物磁控技術(shù)的發(fā)展。

“磁感應(yīng)和生物導(dǎo)航的機(jī)理尚未明確，我和莫里特森、霍爾還將長期合作下去，也期待更多不同研究背景的科學(xué)家加入。”謝燦說。

標(biāo)簽： 磁場 生物 方向感 機(jī)制