中国科学家发现全新的磁感应蛋白，将推动生物磁感受能力研究

　　东北网双鸭山12月7日讯 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。诸多生物都存在类似的能力，但科学家们却不知道是什么让他们拥有这个能力。2015年11月16日，北京大学生命科学学院的谢灿课题组在Nature Materials杂志在线发表论文，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，并推动整个生物磁感受能力研究领域的发展。

　　“动物磁感应的分子机理以及动物迁徙、导航的分子机制一直是生命科学中最引人注目的未解之谜，也是自然科学领域的一颗尚未被摘取的明珠。”谢灿对南方日报记者表示。而他以及他的科研团队历经6年的艰辛研究，或许距离这个明珠将越来越近。

　　●南方日报驻京记者王腾腾策划统筹：陈超

　　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。

　　基于铁磁体的磁感应模型的核心思路认为，生物的细胞中含有成簇的磁铁矿颗粒，其簇阵列会随着外部磁场方向的变化而改变，将磁场信息逐级传递给中枢神经系统。在实验中，科学家用短促强磁场干扰不同种类的候鸟，它们都出现了不同程度的定向障碍。而且磁铁矿颗粒也相继在信鸽、虹鳟鱼、蝙蝠甚至人类头部被发现，但这些颗粒到底是不是磁受体，还需要从分子层面上进行证实。2012年，美国学者Eder等人从虹鳟鱼的嗅上皮组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)的蓝光受体蛋白，这个过程涉及电子在磁场下的量子化学反应，而Cry蛋白几十年来一直是唯一的磁受体蛋白的候选者。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。

　　“这两个模型都有很好的实验支持，但常常相互冲突，同时也没有一个模型能独立地完美解释几百年以来动物学和生态学研究中积累的关于动物感磁和迁徙的各种行为和数据。”谢灿说。

　　“生物指南针”模型

　　以上两种假说并没有说服谢灿，一直对磁感应研究饶有兴趣的他从2009年回国以来便开始了相关领域的研究。他对于长期以来被大家认同的Cry蛋白的磁感应能力表示怀疑。并且提出，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MagR)。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。

　　如上所述，要找到MagR蛋白，还得依靠Cry蛋白的帮助。如果这个MagR蛋白具有磁感应的功能，它应该具有磁性，同时也应当具有生物活性。这两个特征指向了一类叫做铁硫蛋白的蛋白质大家族。

　　果蝇实验的作用不容忽视，它不仅启发了谢灿对于磁导航分子生物学研究，还缩小了寻找MagR蛋白的范围。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。

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　　赞赏与质疑并存

　　“当我看到这篇文章的时候，差点窒息，它的确是一项具有创造性的研究。”麻省大学神经生物学教授史蒂文·瑞波特对这项研究赞赏有加，认为“这项研究结论令人振奋，具有突破性”。

　　但是赞誉不是全部，“这个假设存在很大的不确定性。就目前结果而言，我只能说研究中提供的证据经过了体外实验的证实，但在动物体内的情况就不知道了。”新西兰奥克兰大学迈尔克·沃克教授在磁感应领域研究了数十年，他接受澳大利亚广播公司科学频道采访时态度谨慎，认为“体内实验”的缺乏导致这一科研成果不足以被推上神坛。

　　对于质疑，谢灿表示，任何颠覆性理论的提出，都会引起很多的争论和质疑，纵观科学史，从无例外。磁受体的发现和生物指南针理论的提出也不外如是。文章发表后不到一个小时，引起了超过20个国际媒体的集中报道，到目前为止，已经超过200个国外主流媒体包括Nature、BBC、科学美国人、英国卫报等以多种文字进行报道和跟踪，充分说明了这个研究引发的公众兴趣和关注。在科学研究上的争议是好事，重要的或者颠覆性的东西都会有争议，而整个科学的发展，正是因此而被推动。

　　“目前主要的疑问集中在，能否在动物体内证明这个磁受体对于磁场感应和动物迁徙、生物导航的关键作用。而要达到这一目的，还有很长的路要走。”谢灿说。

原标题：生物“第六感”之谜或将揭晓