论文部分内容阅读
在移动互联网时代，没有手机地图导航，很多人似乎寸步难行，然而像鲸鱼、鸽子等却可以自带“GPS”，千里之外照样轻松返回家园。这是为何？北京大学生命科学学院的谢灿课题组发表论文，首次报道了一个全新的磁受体蛋白（MagR），该突破性进展或将揭开被称为生物“第六感”的磁觉之谜。
导航之谜待解
自然界中有些生物，像是天生就自带指南针，可以长途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鲑鱼、龙虾、海龟、迁徙的鸟类等。还有一些生物，会按照地球磁场的方向筑巢、打洞或者睡眠，如指南白蚁、鼹鼠等。科学家们认为，生物之所以具有这种神奇的“方向感”，原因之一在于它们的感觉系统除了视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉之外，还有被称为“第六感”的磁觉——即生物利用地磁场准确寻找正确的方向。
针对这种磁觉，谢灿表示目前有许多动物磁感应模型假说被提出来，主要包括基于铁磁体的磁感应模型和基于化学反应、自由基对的磁感应模型等。
2012年，美国学者Eder等人从虹鳟鱼的嗅上皮組织中分离出了可随外部磁场旋转的磁感应细胞，Eder认为这可以证明细胞中的磁铁矿颗粒是磁受体。
最早由Klaus Schulten在1978年提出的“自由基对理论”模型认为，磁受体很有可能来自一种名为Cryptochrome（简称Cry）的藍光受体蛋白。假说认为Cry在受到特定波长的光刺激之后会发生电子转移，形成临时的自由基对，其状态会根据磁场的变化而快速改变，由此生成可被神经系统识别的信号，最终转化为生物的定向指令。
“生物指南针”模型
以上假说并没有说服谢灿，他提出，推动生物导航的“幕后推手”另有因素，很可能是一种全新的磁感应蛋白。
“我们意识到，在依赖于光的磁场感应过程中，Cry可能只是负责感光的受体，而感磁则另有受体。”谢灿说。但是，找到真正发挥作用的磁感应蛋白却多亏了Cry蛋白这个“伪装者”的帮助。Cry蛋白很可能是与某种蛋白质合作才能感受地磁场的。
谢灿的团队首先提出了一个基于蛋白质的“生物指南针模型”。该模型认为，存在一个铁结合蛋白作为磁感应受体，该蛋白通过线性多聚化组装，形成了一个棒状的蛋白质复合物，就像一个小磁棒一样有南北极。
所以理论上，有“磁觉”的生物除了能利用地表附近的地磁场指示东西南北，还能通过所处位置的磁场强度以及磁倾角（地球表面磁场与地平线所成的夹角。一般来说，北半球的磁倾角为正，南半球的磁倾角为负）准确定位纬度，并且通过太阳和月亮结合地磁场的信息来确定经度。
“假设生物的磁导航能力来自于对磁倾角的感知，那么磁受体蛋白应该是线型或者棍状的，就像指南针，只有这样，它才拥有检测夹角的能力。”论文第一作者覃思颖说。但是目前，没有发现任何一种蛋白本身是棍状的，所以研究团队推测，磁受体可能经过了聚合才形成棍状的结构，也就是说磁感应蛋白具有线性的聚合能力。
“我们预测存在一个磁受体基因magr（编码一个蛋白质叫MgR）。我们推测由Cry与MagR形成的多聚体棍状复合物，具有光依赖性，并具有内在磁性。Cry起到的作用并不是感磁，而是感光或者将光能转化为电化学能，感磁则是由磁感应受体（或者称之为磁受体）MagR来实现。两者构成一个完整的分子机制，将光磁感应耦合起来。”谢灿说。
12536个编码基因中寻找1个MagR
用“大海捞针”来形容科研团队寻找MagR蛋白的过程丝毫不为过，在理论和假设即生物指南针模型的提出之后，“我们要进行全基因组筛选，包括计算机预测，生物信息学检索，以及实验验证等来寻找MagR。”谢灿说。
果蝇实验的作用不容忽视，因为存在于果蝇之中，并且属于铁硫蛋白大家族还能与Cry蛋白稳定结合，根据这个条件，科研团队对果蝇的基因组进行了大搜索，在12536个编码蛋白质的基因中找到了199种能够结合铁的蛋白质作为候选。
在人为挑选出14个最大可能性的蛋白质之后，Cry蛋白就要再次发挥作用了，它将被拿来与这14个蛋白质举行“相亲活动”，谁能与它最后“白头偕老”，谁就是那个“幕后推手”。最终，只有果蝇的CG8198蛋白能够与Cry形成稳定的结构，MagR蛋白就是它了。
那么接下来的一步便是将这对蛋白质的组合放回到“生物指南针”模型中去进行验证。这是至关重要的一步，同时也是困难重重的一步。最终，研究者成功得到了均一的MagR-Cry蛋白质复合物，并完成了它在电镜下的结构模型。在这个复合体中，MagR排列成碟状，将金属分子紧紧地围在中心，而多个这样的单元首尾相接，形成一个长长的棒状结构。Cry蛋白则紧紧围绕在这根“棒”的周围。
还有一步实验需要做，这是最后一个台阶，也是最为重要的，“棍棒状”的复合物能否就像研究者说的一样具有指南针的功效呢？谢灿团队进行了实验。
“在实验中可以看到，MagR构成的棍状蛋白质复合物在磁场下顺应磁场方向排列，能被磁场富集和纯化，能直接在溶液状态下检测到蛋白质的磁性，而且蛋白质的聚集体（晶体）具有极强的磁性和磁极。”谢灿说，历经6年的实验无疑是成功的。
（《南方日报》2015.12.7）
导航之谜待解
自然界中有些生物，像是天生就自带指南针，可以长途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鲑鱼、龙虾、海龟、迁徙的鸟类等。还有一些生物，会按照地球磁场的方向筑巢、打洞或者睡眠，如指南白蚁、鼹鼠等。科学家们认为，生物之所以具有这种神奇的“方向感”，原因之一在于它们的感觉系统除了视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉之外，还有被称为“第六感”的磁觉——即生物利用地磁场准确寻找正确的方向。
针对这种磁觉，谢灿表示目前有许多动物磁感应模型假说被提出来，主要包括基于铁磁体的磁感应模型和基于化学反应、自由基对的磁感应模型等。
2012年，美国学者Eder等人从虹鳟鱼的嗅上皮組织中分离出了可随外部磁场旋转的磁感应细胞，Eder认为这可以证明细胞中的磁铁矿颗粒是磁受体。
最早由Klaus Schulten在1978年提出的“自由基对理论”模型认为，磁受体很有可能来自一种名为Cryptochrome（简称Cry）的藍光受体蛋白。假说认为Cry在受到特定波长的光刺激之后会发生电子转移，形成临时的自由基对，其状态会根据磁场的变化而快速改变，由此生成可被神经系统识别的信号，最终转化为生物的定向指令。
“生物指南针”模型
以上假说并没有说服谢灿，他提出，推动生物导航的“幕后推手”另有因素，很可能是一种全新的磁感应蛋白。
“我们意识到，在依赖于光的磁场感应过程中，Cry可能只是负责感光的受体，而感磁则另有受体。”谢灿说。但是，找到真正发挥作用的磁感应蛋白却多亏了Cry蛋白这个“伪装者”的帮助。Cry蛋白很可能是与某种蛋白质合作才能感受地磁场的。
谢灿的团队首先提出了一个基于蛋白质的“生物指南针模型”。该模型认为，存在一个铁结合蛋白作为磁感应受体，该蛋白通过线性多聚化组装，形成了一个棒状的蛋白质复合物，就像一个小磁棒一样有南北极。
所以理论上，有“磁觉”的生物除了能利用地表附近的地磁场指示东西南北，还能通过所处位置的磁场强度以及磁倾角（地球表面磁场与地平线所成的夹角。一般来说，北半球的磁倾角为正，南半球的磁倾角为负）准确定位纬度，并且通过太阳和月亮结合地磁场的信息来确定经度。
“假设生物的磁导航能力来自于对磁倾角的感知，那么磁受体蛋白应该是线型或者棍状的，就像指南针，只有这样，它才拥有检测夹角的能力。”论文第一作者覃思颖说。但是目前，没有发现任何一种蛋白本身是棍状的，所以研究团队推测，磁受体可能经过了聚合才形成棍状的结构，也就是说磁感应蛋白具有线性的聚合能力。
“我们预测存在一个磁受体基因magr（编码一个蛋白质叫MgR）。我们推测由Cry与MagR形成的多聚体棍状复合物，具有光依赖性，并具有内在磁性。Cry起到的作用并不是感磁，而是感光或者将光能转化为电化学能，感磁则是由磁感应受体（或者称之为磁受体）MagR来实现。两者构成一个完整的分子机制，将光磁感应耦合起来。”谢灿说。
12536个编码基因中寻找1个MagR
用“大海捞针”来形容科研团队寻找MagR蛋白的过程丝毫不为过，在理论和假设即生物指南针模型的提出之后，“我们要进行全基因组筛选，包括计算机预测，生物信息学检索，以及实验验证等来寻找MagR。”谢灿说。
果蝇实验的作用不容忽视，因为存在于果蝇之中，并且属于铁硫蛋白大家族还能与Cry蛋白稳定结合，根据这个条件，科研团队对果蝇的基因组进行了大搜索，在12536个编码蛋白质的基因中找到了199种能够结合铁的蛋白质作为候选。
在人为挑选出14个最大可能性的蛋白质之后，Cry蛋白就要再次发挥作用了，它将被拿来与这14个蛋白质举行“相亲活动”，谁能与它最后“白头偕老”，谁就是那个“幕后推手”。最终，只有果蝇的CG8198蛋白能够与Cry形成稳定的结构，MagR蛋白就是它了。
那么接下来的一步便是将这对蛋白质的组合放回到“生物指南针”模型中去进行验证。这是至关重要的一步，同时也是困难重重的一步。最终，研究者成功得到了均一的MagR-Cry蛋白质复合物，并完成了它在电镜下的结构模型。在这个复合体中，MagR排列成碟状，将金属分子紧紧地围在中心，而多个这样的单元首尾相接，形成一个长长的棒状结构。Cry蛋白则紧紧围绕在这根“棒”的周围。
还有一步实验需要做，这是最后一个台阶，也是最为重要的，“棍棒状”的复合物能否就像研究者说的一样具有指南针的功效呢？谢灿团队进行了实验。
“在实验中可以看到，MagR构成的棍状蛋白质复合物在磁场下顺应磁场方向排列，能被磁场富集和纯化，能直接在溶液状态下检测到蛋白质的磁性，而且蛋白质的聚集体（晶体）具有极强的磁性和磁极。”谢灿说，历经6年的实验无疑是成功的。
（《南方日报》2015.12.7）