2015年11月16日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的謝燦課題組在Nature Materials雜志在線發(fā)表論文，首次報(bào)道了一個(gè)全新的磁受體蛋白（MagR），該突破性進(jìn)展或?qū)⒔议_被稱為生物“第六感”的磁覺之謎，并推動(dòng)整個(gè)生物磁感受能力研究領(lǐng)域的發(fā)展。
我們平時(shí)去一個(gè)不熟悉的地方，常常需要手機(jī)導(dǎo)航來幫忙。可是自然界中有些生物，卻像是天生就自帶指南針屬性，可以長途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鮭魚、龍蝦、海龜、遷徙的鳥類等。還有一些生物，會(huì)按照地球磁場的方向筑巢、打洞或者睡眠，如指南白蟻、鼴鼠等等?？茖W(xué)家們認(rèn)為，生物之所以具有這種神奇的“方向感”，原因之一在于它們的感覺系統(tǒng)除了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺之外，還有被稱為“第六感”的磁覺——即生物利用地磁場準(zhǔn)確尋找正確的方向。
生物能利用地磁場提供的哪些信息？
我們的地球可以看成一塊大磁鐵，地磁的南北極和地理南北極是相反的(地球北極是地磁南極，地球南極是地磁北極)，并且地磁南北極之間的連線和地理南北極之間的連線有一個(gè)偏角（磁偏角）。地磁場的磁感線在地球內(nèi)部和兩個(gè)磁極的連線重合，在地球外部圍繞地表上空形成閉合曲線，具體如下圖所示：
所以理論上，有“磁覺”的生物除了能利用地表附近的地磁場指示東西南北，還能通過所處位置的磁場強(qiáng)度以及磁傾角（地球表面磁場與地平線所成的夾角。一般來說，北半球的磁傾角為正，南半球的磁傾角為負(fù)）準(zhǔn)確定位緯度，并且通過太陽和月亮結(jié)合地磁場的信息來確定經(jīng)度。
科學(xué)家們對(duì)于這種不可思議的磁場感受能力已探究了幾十年，他們好奇的是，生物到底是怎樣感知到強(qiáng)度弱到0.35-0.65高斯量級(jí)的地磁場（一般永磁鐵附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度為4000-7000高斯），并且準(zhǔn)確辨別磁場方向，從而指導(dǎo)前進(jìn)方向？為什么作為高等哺乳動(dòng)物的人類并不能從意識(shí)上感知地磁場？有些人非常有方向感，但是有些人卻是路癡，這和其他生物的感磁能力是否有相關(guān)性呢？雖然有研究表明地磁場能夠影響人類視覺系統(tǒng)的感光能力，但是人類是否具有感磁能力仍然存在爭議。
生物磁感受的研究歷史
早在人類學(xué)會(huì)使用羅盤導(dǎo)航的時(shí)候，就有人猜測生物能夠感知并且利用地磁場，比如鴿子的導(dǎo)航能力非常強(qiáng)，在戰(zhàn)爭年代常被用作信使。不過一開始人們認(rèn)為這種能力源自于它們能聽到地面特定地標(biāo)傳到高空的聲波，能看到天空中的偏振光。但是后來人們發(fā)現(xiàn)信鴿在沒有陽光或者地標(biāo)導(dǎo)航的情況下也能歸巢，所以人們推斷，鳥類必定在用另一種我們不知道的方式來確定它們的飛行路徑。而這個(gè)猜測直到1971年才得到證實(shí)。
1971年的一個(gè)陰天，康奈爾大學(xué)的研究員在鴿子頭部固定磁鐵，在空曠的草地中央放飛，然后記錄它們的飛行方向。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這些攜帶磁鐵的鴿子變得完全沒有方向感。不久之后，美國科學(xué)家Blakemore在沼澤沉積物和海洋淤泥中分別觀測到感應(yīng)磁場的細(xì)菌，這種細(xì)菌能夠被磁鐵吸引，體內(nèi)有富鐵物質(zhì)。1984年發(fā)現(xiàn)食米鳥的喙部有大量鐵磁礦，20年后人們用透射電鏡清楚觀察到家鴿上喙部的富鐵微粒?；谝陨鲜聦?shí)，人們提出了基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論。
在當(dāng)時(shí)這個(gè)理論聽起來十分直觀可信，基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論后來也確實(shí)被證實(shí)能夠解釋某些物種的磁感受能力，例如趨磁細(xì)菌。然而趨磁細(xì)菌中磁小體形成相關(guān)的基因在高等生物中并沒有找到同源基因，說明高等生物的磁感應(yīng)應(yīng)該是采取了一種截然不同的機(jī)理。2012年有研究表明鴿子鳥喙的鐵來自于巨噬細(xì)胞，而不是神經(jīng)細(xì)胞，進(jìn)一步動(dòng)搖了基于鐵磁物質(zhì)的磁感應(yīng)假說。從上世紀(jì)八九十年代開始，一些奇怪的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給科學(xué)家們帶來了新的困惑。比如說，歐洲知更鳥（European Robin）的磁導(dǎo)航能力竟然同時(shí)還受到光的影響——藍(lán)綠光下可以正確導(dǎo)航，紅光下它就找不著北了。按理說，鐵磁物質(zhì)跟光波長應(yīng)該沒什么關(guān)系，那么，到底是什么物質(zhì)感受到了磁場，并且受光的影響？
最早由美國伊利諾伊大學(xué)教授Schulten在1978年提出的“自由基對(duì)理論”模型認(rèn)為，磁受體很有可能來自一種名為Cryptochrome（簡稱Cry）的藍(lán)光受體蛋白，這個(gè)過程涉及電子在磁場下的量子化學(xué)反應(yīng)，并且需要視覺系統(tǒng)的參與。這個(gè)模型后來成為許多理論工作的雛形，由Ritz和Wiltschkos等人逐步完善，而Cry蛋白幾十年來一直是唯一的磁受體蛋白的候選者。
生物感磁研究的新突破
2015年11月16日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的謝燦課題組在Nature Materials雜志上在線發(fā)表了生物感磁研究領(lǐng)域的一項(xiàng)突破性進(jìn)展。作者首先提出了一個(gè)基于蛋白質(zhì)的生物指南針模型（Biocompass model）。該模型認(rèn)為，存在一個(gè)鐵結(jié)合蛋白作為磁感應(yīng)受體（Magnetoreceptor，MagR），該蛋白通過線性多聚化組裝，形成了一個(gè)棒狀的蛋白質(zhì)復(fù)合物（Magnetosensor），就像一個(gè)小磁棒一樣有南北極。而前人推測的感磁相關(guān)蛋白Cry和磁感應(yīng)受體MagR通過相互作用，在MagR棒狀多聚蛋白的外圍，纏繞著感光蛋白Cry，從而實(shí)現(xiàn)“光磁耦合”。
圖片來源：Can Xie et al.?Nature Materials, 2015
在這一模型的理論框架下，謝燦課題組通過計(jì)算生物學(xué)預(yù)測、果蠅的全基因組搜索和蛋白質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的磁受體蛋白（MagR）。
MagR屬于鐵硫簇結(jié)合蛋白（簡稱鐵硫蛋白），每一個(gè)蛋白質(zhì)單體都結(jié)合了一個(gè)二鐵二硫形式的鐵硫簇。生化實(shí)驗(yàn)和電鏡結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模擬，呈現(xiàn)了這一蛋白質(zhì)生物指南針的組成和架構(gòu)，與預(yù)測的模型完全吻合。
生物物理學(xué)和物理學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，MagR蛋白復(fù)合物具有很明顯的內(nèi)稟磁矩，能通過磁場在實(shí)驗(yàn)室富集和純化得到。作者不僅從物理性質(zhì)上測量了該蛋白在溶液狀態(tài)下的磁性特征，還通過電鏡觀察到MagR蛋白質(zhì)復(fù)合物能感應(yīng)到微弱的地球磁場（在北京大致為0.4高斯），并沿著地球磁場排列。人工增強(qiáng)磁場強(qiáng)度可以導(dǎo)致這種排列更加有序。實(shí)驗(yàn)中也觀測到了蛋白質(zhì)晶體呈現(xiàn)極強(qiáng)的磁性，能明顯被鐵磁物質(zhì)吸引，當(dāng)外界磁場突然反向時(shí)，蛋白質(zhì)棒狀復(fù)合物會(huì)發(fā)生180°跳轉(zhuǎn)。作者推測該蛋白質(zhì)復(fù)合物磁性的物理基礎(chǔ)可能基于MagR蛋白在棒狀多聚復(fù)合物的軸線上鐵原子的有序排列以及在由鐵硫簇形成的平行“鐵環(huán)”中可能存在環(huán)形電流。同時(shí)，動(dòng)物免疫組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)也證明了磁感應(yīng)受體MagR蛋白質(zhì)和光受體Cry蛋白質(zhì)在鴿子視網(wǎng)膜存在共定位，暗示著動(dòng)物可能可以“看”到地球磁場的存在。
鐵硫蛋白屬于進(jìn)化中非常古老的蛋白家族，很多高等生物中的鐵硫蛋白在細(xì)菌中也廣泛存在。比如說，真核生物的MagR在細(xì)菌如在大腸桿菌中的同源蛋白名為Isca1。鐵硫蛋白最早由美國科學(xué)家Helmut Beinert在1960年發(fā)現(xiàn)，并在其后得到了廣泛研究，包括它們的蛋白質(zhì)組裝過程、生理學(xué)功能以及由于蛋白質(zhì)異常產(chǎn)生的疾病等等，但是從來沒有人把鐵硫蛋白和生物感磁動(dòng)物遷徙聯(lián)系在一起。編碼該蛋白的磁受體基因magr從昆蟲到人類高度保守，可能意味著生物磁感應(yīng)機(jī)制的保守性。
謝燦課題組的這一系列的實(shí)驗(yàn)初步確認(rèn)并建立了基于MagR蛋白生物指南針感磁機(jī)理。MagR蛋白的發(fā)現(xiàn)，對(duì)生物感磁機(jī)制的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響，由于MagR蛋白自身具有內(nèi)稟磁矩，加之MagR蛋白與Cry蛋白相似的特征（例如在果蠅頭部和在鴿子視神經(jīng)細(xì)胞中大量表達(dá)；在進(jìn)化上出現(xiàn)得很早，廣泛存在于生物界各類物種），Cry蛋白占據(jù)了20多年的“第一磁受體蛋白”地位受到了強(qiáng)烈撼動(dòng)。
最近幾年，在果蠅和擬南芥中都發(fā)現(xiàn)了一些與Cry相關(guān)的感磁行為，比如磁場影響果蠅的生物鐘周期，用磁場訓(xùn)練果蠅走T型迷宮，磁場強(qiáng)度影響擬南芥生長等等。研究人員通過遺傳突變實(shí)驗(yàn)證明了感磁行為與Cry蛋白有關(guān)，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的光強(qiáng)以及光波段，證明了感磁行為依賴于藍(lán)光波段的光，而Cry早已被證明是廣泛存在于生物界的藍(lán)光受體蛋白。但是通過這些實(shí)驗(yàn)研究，我們只能推測Cry蛋白是“光耦合感磁通路”中必不可少的成員，卻不能直接證明Cry就是第一個(gè)接受到磁場信號(hào)的受體蛋白。雖然目前已經(jīng)在體外通過瞬態(tài)光譜測量到Cry蛋白的信號(hào)態(tài)壽命受磁場強(qiáng)度的影響，但無論是理論上的磁場產(chǎn)生的能量差，還是實(shí)際測量到的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的信號(hào)都十分微弱，生物要通過Cry蛋白感應(yīng)地磁場信號(hào)，必須有特殊的信號(hào)放大機(jī)制，而目前并沒有相關(guān)理論可以解釋得十分清楚。
與之相比，謝燦課題組發(fā)現(xiàn)的MagR蛋白，具有明顯的內(nèi)稟磁矩和更清晰的物理模型，或許比Cry蛋白更有可能成為真正的磁受體蛋白，而Cry很可能只是信號(hào)傳導(dǎo)環(huán)節(jié)中的一員。MagR磁受體蛋白的發(fā)現(xiàn)必然掀起生物感磁研究的新一波熱潮，推動(dòng)整個(gè)生物磁感受能力研究的發(fā)展。“遠(yuǎn)程調(diào)控”一直是合成生物學(xué)的一個(gè)熱門領(lǐng)域，磁感應(yīng)蛋白MagR的發(fā)現(xiàn)給磁控生物提供了新的機(jī)遇。
相對(duì)于光控和溫控，磁場控制有著穿透力強(qiáng)、損耗小、覆蓋大、毒性低、副作用少、安全性高等優(yōu)勢，但由于缺少好用的磁感應(yīng)元件，該領(lǐng)域的發(fā)展一直舉步維艱。比較成功的例子有基于趨磁細(xì)菌磁小體的研究以及洛克菲勒大學(xué)Friedman等人利用鐵蛋白打開離子通道的工作。趨磁細(xì)菌合成磁小體的過程十分復(fù)雜，涉及30-40個(gè)基因，目前研究人員還只能做到將整個(gè)基因簇導(dǎo)入近緣物種紅螺菌，使之合成一串線性排列、生物膜包被的磁小體。目前磁小體人工合成的可控性以及其磁學(xué)性能都不太理想。而鐵蛋白束縛的氧化鐵，具有超順磁性，在320?or?290高斯磁場作用下，能產(chǎn)生10pN（1pN=10^-6N）的拉力，研究人員通過巧妙的設(shè)計(jì)，使得這種拉力作用在鈣離子通道蛋白上，從而將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)。鐵蛋白由24個(gè)亞基組成，整個(gè)蛋白有450 KDa（生物學(xué)中蛋白質(zhì)的分子量單位，1kDa=1000摩爾質(zhì)量），在自然條件下是負(fù)責(zé)儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)鐵的，并不具有磁感應(yīng)功能，要將其用作磁感應(yīng)元件需要一些人為的設(shè)計(jì)。
而謝燦課題組發(fā)現(xiàn)的新型磁感應(yīng)蛋白MagR，只有14.5 KDa，其單體只有130個(gè)氨基酸左右（不同物種略有差異），更方便進(jìn)行基因操作，對(duì)目標(biāo)生物的負(fù)擔(dān)也會(huì)更小。而且MagR具有亞鐵磁性，能響應(yīng)普通磁鐵，理論上還能感應(yīng)地磁場強(qiáng)度的磁場，或許MagR是更為理想的磁感應(yīng)元件。此蛋白的磁感應(yīng)能力是謝燦課題組首次發(fā)現(xiàn)的，從磁感應(yīng)元件的角度考慮，如何讓蛋白具有更靈敏的感磁性能，如何利用MagR蛋白將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物信號(hào)還需要研究人員進(jìn)一步探索。由于MagR的獨(dú)特磁學(xué)性質(zhì)，可能將直接引發(fā)基于MagR蛋白質(zhì)的一系列由磁場來操控生物大分子乃至細(xì)胞行為、動(dòng)物行為的各種應(yīng)用。（文/曾維倩）
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