知更鸟迁徙导航的罗盘是什么？中外团队研究登《自然》封面
2021-08-06 21:55:13 作者：佚名
人类的“第六感”磁感应真的存在吗？解答这个问题，科学家已经尝试了几十年，他们在鸟类中寻找突破口。
北京时间6月23日23时，顶级学术期刊《自然》（Nature）以封面形式在线发表了由德国奥尔登堡大学、英国牛津大学、中国科学院合肥物质科学研究院、美国普渡大学、得克萨斯大学西南医学中心、德国弗莱堡大学等多个团队的科学家联合完成在一项重磅研究，题为“Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird”。研究证明了鸟类视网膜中的隐花色素蛋白4（Cry4）对磁场很敏感，很可能就是长期寻找的磁传感器。 该研究的通讯作者共有6位，其中一位是来自中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的谢灿研究员，强磁场科学中心为共同通讯单位和唯一的国内参与单位。谢灿实验室与奥尔登堡大学Henrik Mouritsen课题组合作，首次在实验室成功制备获得了具有生物活性的夜间迁徙鸟类欧洲知更鸟的Cry蛋白，质谱分析显示该蛋白的辅因子结合率高达97%，为整项研究的成功奠定了基础。
欧洲知更鸟（European Robin）是一种极佳的研究对象，这种夜行性迁徙鸟类此前被证明具备地磁导航能力，它们可以利用强度弱到0.5高斯左右的地磁场进行长距离定向，以完成年复一年的季节性迁徙。而早在2000年，科学家通过理论计算，提出光敏蛋白隐花色素Cry是一种可能的磁感应蛋白。隐花色素蛋白为何被科学家认为是动物磁感应分子？该论文的第一作者、来自奥尔登堡大学的许静静对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者解释道，隐花色素蛋白能够结合黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD)，又名活性型维生素B2。FAD受蓝光激发后发生还原反应，可依次夺取其附近色氨酸（Trp）的电子，从而形成具有磁敏性的自由基对[FAD·- TrpH·+]。
“可以说，FAD是这个磁敏的‘心脏’，只有结合了辅因子FAD的隐花色素蛋白，才具备磁敏性的先决条件。”许静静现为奥尔登堡大学Henrik Mouritsen（论文通讯作者之一）实验室的博士生，在赴德国留学之前，许静静在中国科学院电工研究所完成硕士学习，并在谢灿教授实验室接受了生物化学技术训练。
谢灿在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访时则表示，这场始于2016年的多方合作仅仅是各实验室关于生物磁感应研究的第一阶段，“这篇文章也是我们长期合作的第一个阶段性的成果。”未来仍有大量的工作需要其实验室和合作方共同探索。
谢灿于2001毕业于中国科学院遗传与发育生物学研究所，获理学博士学位。同年8月赴美，在哈佛大学医学院Timothy Springer实验室从事分子生物物理学和结构生物学研究。2009年至2019年在北京大学生命科学学院任教授，2019年11月应邀加盟并调入中国科学院强磁场科学中心任研究员至今。2020年12月共同创建“国际磁生物学前沿研究中心”（International Magnetobiology Frontier Research Center (iMFRC)）。
值得一提的是，此前的2016年，谢灿实验室在国际学术期刊《自然-材料》（Nature Materials）发表了其在动物磁感应和生物导航领域的原创性突破，在国际上首次发现了动物对磁场感知的磁受体基因，该基因编码的磁感应蛋白（MagR）具备內禀磁性，能和Cry蛋白形成复合物，进而识别外界磁场并做出响应。据此，谢灿也提出了动物感磁的“生物指南针”假说。该工作也被评为“2015年度中国生命科学领域十大进展”。
在此项最新研究中，基于谢灿和Mouritsen实验室成功获得的蛋白，牛津大学化学系的Christiane Timmel和Stuart Mackenzie团队随后应用多种磁共振光谱学手段来研究这种蛋白质，并证明了它对磁场高度敏感。这些测试使用的一系列的高精度光谱学仪器是由实验室过去的几代博士后研究人员和研究生共同开发的。
研究团队还阐明了这种磁敏感性产生的机理，即基于蓝光吸收引发的电子转移反应。蛋白质分子由一连串氨基酸组成： Cry4有527个氨基酸，其中的4个色氨酸对于磁敏特性至关重要。在蓝光的激发下，电子在FAD和这4个色氨酸跳跃，产生所谓的磁感应自由基对。牛津大学的Peter Hore和奥尔登堡的物理学家Ilia Solov'yov进行了量子力学计算，支持这一观点。
为了通过实验验证这一点，奥尔登堡的研究团队进一步制备了隐花色素的色氨酸突变体蛋白，其中每个色氨酸依次被苯丙氨酸取代，以阻止电子的传递。利用这些修饰过的蛋白质，牛津大学的研究小组能够阐明电子传递链的组成，以及自由基对的距离和寿命对磁场效应的影响。
谢灿向澎湃新闻记者总结道，这项研究主要取得的突破为，第一，首次从实验上验证了迁徙鸟类的隐花色素蛋白自由基对磁感应假说；第二、发现迁徙鸟类的隐花色素蛋白4比不迁徙鸟类的对磁场更敏感；第三、首次发现自由基对假说中的四个保守色氨酸分别承担着磁感应和信号传递两种不同功能。
当然，研究团队同时强调，这并不是隐花色素是磁传感器的确凿证据。这项研究是用纯化的蛋白做的体外实验，实验中用到的磁场也远高于地磁场。Henrik Mouritsen表示 “我们需要在鸟类的眼睛中证明这一蛋白对地磁场的敏感性，但目前的技术瓶颈并不能让我们做到这一点。”
研究团队推测，隐花色素蛋白在体内环境中可能会表现出对磁场更高的敏感性。例如，在视网膜细胞中，蛋白质可能有固定的取向而排列起来，从而增强了它们对磁场方向的敏感性。此外，它们还可能与其他蛋白相互作用，例如此前报道的磁受体MagR，甚至其他尚未被鉴定的蛋白质，以实现信号级联放大的效果。科学家们也正在寻找这些未知的“互助伙伴”。
关于该项目的未来研究计划，许静静指出，寻找隐花色素的互作蛋白和并进行体内实验验证，是两大挑战。
Peter Hore是牛津大学化学系物理与理论化学实验室的教授，为这项最新研究的通讯作者之一。他是生物磁感应假说主要流派之一，也就是这项研究验证的依赖隐花色素的化学自由基对模型（radical-pair）的主要贡献者之一，他在回复澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访的邮件中写道，“如果我们能证明Cry4是磁感受分子，我们也就证明一个根本性的量子机制，它使得动物能感知极其微弱的环境刺激，这个刺激的强度比以前认为的要弱一百万倍”。
论文链接：https://www.nature.com/articles/10.1038/s41586-021-03618-9(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
北京时间6月23日23时，顶级学术期刊《自然》（Nature）以封面形式在线发表了由德国奥尔登堡大学、英国牛津大学、中国科学院合肥物质科学研究院、美国普渡大学、得克萨斯大学西南医学中心、德国弗莱堡大学等多个团队的科学家联合完成在一项重磅研究，题为“Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird”。研究证明了鸟类视网膜中的隐花色素蛋白4（Cry4）对磁场很敏感，很可能就是长期寻找的磁传感器。 该研究的通讯作者共有6位，其中一位是来自中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的谢灿研究员，强磁场科学中心为共同通讯单位和唯一的国内参与单位。谢灿实验室与奥尔登堡大学Henrik Mouritsen课题组合作，首次在实验室成功制备获得了具有生物活性的夜间迁徙鸟类欧洲知更鸟的Cry蛋白，质谱分析显示该蛋白的辅因子结合率高达97%，为整项研究的成功奠定了基础。
欧洲知更鸟（European Robin）是一种极佳的研究对象，这种夜行性迁徙鸟类此前被证明具备地磁导航能力，它们可以利用强度弱到0.5高斯左右的地磁场进行长距离定向，以完成年复一年的季节性迁徙。而早在2000年，科学家通过理论计算，提出光敏蛋白隐花色素Cry是一种可能的磁感应蛋白。隐花色素蛋白为何被科学家认为是动物磁感应分子？该论文的第一作者、来自奥尔登堡大学的许静静对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者解释道，隐花色素蛋白能够结合黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD)，又名活性型维生素B2。FAD受蓝光激发后发生还原反应，可依次夺取其附近色氨酸（Trp）的电子，从而形成具有磁敏性的自由基对[FAD·- TrpH·+]。
“可以说，FAD是这个磁敏的‘心脏’，只有结合了辅因子FAD的隐花色素蛋白，才具备磁敏性的先决条件。”许静静现为奥尔登堡大学Henrik Mouritsen（论文通讯作者之一）实验室的博士生，在赴德国留学之前，许静静在中国科学院电工研究所完成硕士学习，并在谢灿教授实验室接受了生物化学技术训练。
谢灿在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访时则表示，这场始于2016年的多方合作仅仅是各实验室关于生物磁感应研究的第一阶段，“这篇文章也是我们长期合作的第一个阶段性的成果。”未来仍有大量的工作需要其实验室和合作方共同探索。
谢灿于2001毕业于中国科学院遗传与发育生物学研究所，获理学博士学位。同年8月赴美，在哈佛大学医学院Timothy Springer实验室从事分子生物物理学和结构生物学研究。2009年至2019年在北京大学生命科学学院任教授，2019年11月应邀加盟并调入中国科学院强磁场科学中心任研究员至今。2020年12月共同创建“国际磁生物学前沿研究中心”（International Magnetobiology Frontier Research Center (iMFRC)）。
值得一提的是，此前的2016年，谢灿实验室在国际学术期刊《自然-材料》（Nature Materials）发表了其在动物磁感应和生物导航领域的原创性突破，在国际上首次发现了动物对磁场感知的磁受体基因，该基因编码的磁感应蛋白（MagR）具备內禀磁性，能和Cry蛋白形成复合物，进而识别外界磁场并做出响应。据此，谢灿也提出了动物感磁的“生物指南针”假说。该工作也被评为“2015年度中国生命科学领域十大进展”。
在此项最新研究中，基于谢灿和Mouritsen实验室成功获得的蛋白，牛津大学化学系的Christiane Timmel和Stuart Mackenzie团队随后应用多种磁共振光谱学手段来研究这种蛋白质，并证明了它对磁场高度敏感。这些测试使用的一系列的高精度光谱学仪器是由实验室过去的几代博士后研究人员和研究生共同开发的。
研究团队还阐明了这种磁敏感性产生的机理，即基于蓝光吸收引发的电子转移反应。蛋白质分子由一连串氨基酸组成： Cry4有527个氨基酸，其中的4个色氨酸对于磁敏特性至关重要。在蓝光的激发下，电子在FAD和这4个色氨酸跳跃，产生所谓的磁感应自由基对。牛津大学的Peter Hore和奥尔登堡的物理学家Ilia Solov'yov进行了量子力学计算，支持这一观点。
为了通过实验验证这一点，奥尔登堡的研究团队进一步制备了隐花色素的色氨酸突变体蛋白，其中每个色氨酸依次被苯丙氨酸取代，以阻止电子的传递。利用这些修饰过的蛋白质，牛津大学的研究小组能够阐明电子传递链的组成，以及自由基对的距离和寿命对磁场效应的影响。
谢灿向澎湃新闻记者总结道，这项研究主要取得的突破为，第一，首次从实验上验证了迁徙鸟类的隐花色素蛋白自由基对磁感应假说；第二、发现迁徙鸟类的隐花色素蛋白4比不迁徙鸟类的对磁场更敏感；第三、首次发现自由基对假说中的四个保守色氨酸分别承担着磁感应和信号传递两种不同功能。
当然，研究团队同时强调，这并不是隐花色素是磁传感器的确凿证据。这项研究是用纯化的蛋白做的体外实验，实验中用到的磁场也远高于地磁场。Henrik Mouritsen表示 “我们需要在鸟类的眼睛中证明这一蛋白对地磁场的敏感性，但目前的技术瓶颈并不能让我们做到这一点。”
研究团队推测，隐花色素蛋白在体内环境中可能会表现出对磁场更高的敏感性。例如，在视网膜细胞中，蛋白质可能有固定的取向而排列起来，从而增强了它们对磁场方向的敏感性。此外，它们还可能与其他蛋白相互作用，例如此前报道的磁受体MagR，甚至其他尚未被鉴定的蛋白质，以实现信号级联放大的效果。科学家们也正在寻找这些未知的“互助伙伴”。
关于该项目的未来研究计划，许静静指出，寻找隐花色素的互作蛋白和并进行体内实验验证，是两大挑战。
Peter Hore是牛津大学化学系物理与理论化学实验室的教授，为这项最新研究的通讯作者之一。他是生物磁感应假说主要流派之一，也就是这项研究验证的依赖隐花色素的化学自由基对模型（radical-pair）的主要贡献者之一，他在回复澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访的邮件中写道，“如果我们能证明Cry4是磁感受分子，我们也就证明一个根本性的量子机制，它使得动物能感知极其微弱的环境刺激，这个刺激的强度比以前认为的要弱一百万倍”。
论文链接：https://www.nature.com/articles/10.1038/s41586-021-03618-9(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)
