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【高校团队】磁遗传学:北大团队首发现生物感应磁场的蛋白质分子
醉卧青云 2015-12-03
导语

地球有微弱的磁场,利用指南针,人类可以在茫茫大海或沙漠中不会迷失方向。信鸽和帝王蝶、龙虾和海龟等动物,身体内天生就拥有这种指南针,但是过去一直没有找到生物体内指南针的具体结构是什么。最近中国科学家终于揭开这一秘密,原来是和一种视觉蛋白分子结合,这种分子复合体有感受光线和磁场的双重能力。

生物天生就有磁场指南针,但细节未知?

地球有微弱的磁场,利用指南针,人类可以在茫茫大海或沙漠中不会迷失方向。信鸽和帝王蝶、龙虾和海龟等动物,身体内天生就拥有这种指南针,它们拥有这种感知磁场的第六种感觉,这一能力让许多动物能进行长途迁徙而不会迷路。科学家早就知道这一特点,但是过去一直没有找到生物体内指南针的具体结构是什么。

一个磁性蛋白生物指南针

最近中国科学家终于揭开这一秘密,原来是和一种视觉蛋白分子结合,这种分子复合体有感受光线和磁场的双重能力。北京时间11月17日,国际顶级学术期刊《自然•材料》(Nature Materials)在线发表了这一项研究成果。这是首个在分子尺度就证明存在磁特性的蛋白复合体,它既能够吸引磁铁,也能在磁场的作用下发生转动,是一种纳米级的指南针。

该论文标题为《一个磁性蛋白生物指南针》(A magnetic protein biocompass),北京大学生命科学学院研究员谢灿是该论文的通讯作者。11月16日,谢灿告诉澎湃新闻,刚刚发表的研究回答的问题是“生物如何感应到磁场的”,他们发现了生物感应磁场的蛋白质分子。

1995年,植物中的感光蛋白光受体CRY1(cryptochrome1)被发现,后来科学家发现,CRY也能够感应磁场,是人类所知的生物体内第一个磁感应分子,该蛋白也存在于鸟类和人类视网膜中。但鸟类从感应磁场到定位或导航的过程,仍是未解之谜。CRY如何在生物体内工作也不为人类所知。谢灿带领的研究人员对果蝇的12536个基因筛选后,发现了唯一一个与CRY相结合的磁感应受体蛋白,被命名为MagR。

实验发现,MagR才是真正感应磁场的生物分子,CRY只能感光,因为二者结合,人们此前被其复合物又感光又感磁的特性“蒙骗”了。

研究人员发现,MagR与CRY在信鸽的视网膜中共定位,几乎出现在同一位置。它们似乎相互配合,形成一个分子机器,在阳光或月光等光线的刺激下,地球磁场信号被细胞捕捉到,并转化成电信号,该电信号经神经细胞传递到信鸽的大脑中,然后做出决策。谢灿表示,这只是动物磁感应的“生物指南针”模型,其真实性和细节有待进一步研究。

研究人员进行体外实验发现,在溶液中,MagR与CRY两种蛋白的确会自发形成复合体,复合体又堆集成棒状结构,MagR位于轴心,CRY居外围。更令人惊奇的是,这样一个棒状结构像一个真正磁铁一样,会吸在铁珠上,也像一个真正的指南针一样,会随着外加磁场的变化而转动,会在地球磁场的作用下,呈现有规则的排列。

研究人员在文章中称,这是人类第一次发现具有这样特性的生物磁性物质。

我们知道,光遗传学是当今神经生物学领域的重要技术创新,对神经科学的发展有重要推动作用。但是光刺激信号必须通过光导纤维才能准确输送到深部组织内。磁场的穿透能力非常强大,如果能将这种感受分子适当设计,人工建立磁刺激感受器,或许不久就能有更优质特性的磁遗传学技术面世。

http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4484.html

(本文来源公众号氢思语 hydrogen_thinker,作者孙学军教授,授权发布)

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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科


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