北大教授发现磁感应蛋白：或揭开信鸽体内“指南针”之谜

“侦探团”代表：谢灿（右）和本文的两位第一作者覃思颖（中）、银行（左）。图片来源：谢灿

    2015年11月17日，国际顶级学术期刊《自然·材料》（Nature Materials）在线发表了标题为《一个磁性蛋白生物指南针》（A magneticprotein biocompass）的研究论文。该论文意味着，人类是时候揭开包括信鸽在内的动物的“生物指南针”之谜了。

    北京大学生命科学学院教授谢灿是该论文的通讯作者（即课题负责人）。该研究发现了一个磁感应受体蛋白，即磁感应分子MagR，回答了“生物是如何感应到磁场的”这一问题，且至少在两个方面刷新了人们对磁感应的认识。

    刷新误解一：感磁的是MagR而非CRY蛋白

　　地球的磁场很微弱，但无数的生物，从鲸鱼、海龟、龙虾，到候鸟、蝙蝠和蚂蚁，包括人类，都依赖地球磁场进行导航。

　　磁感应，即感受到磁场的存在。长期以来，动物的磁感应能力令科学家着迷。候鸟长途迁徙，信鸽远距离归巢，精确得像是揣着个指南针。在帝王蝶、龙虾和海龟身上，人们也观察到类似的地磁导航现象，但一直不清楚其原理。

　　人类可以使用指南针工具进行导航，那其他生物用来导航的“指南针”是什么呢？

谢灿研究团队发现了一个“生物指南针”

　　论文显示，MagR形成的复合物是一个短棒，由蛋白质组成，尺寸小到分子尺度，但它仍然像是一个真正的磁铁，能够顺着地球磁场的方向排列，能够吸铁，能随着磁场的变化而转动。

　　谢灿认为，这一发现回答了“生物是如何感应到磁场的”这一问题，且至少在两个方面刷新了人们对磁感应的认识。

　　1995年，植物的感光蛋白CRY（cryptochrome，隐花色素)被发现。它被认为也能够感磁，是人类发现的第一个磁感应分子。当果蝇体内的该基因被破坏后，果蝇就不再能够感应磁场。信鸽等鸟类的眼睛的视网膜中也存在CRY蛋白，它被认为是鸟类的“指南针”。

　　但谢灿带领的研究团队发现，人们被骗了，CRY蛋白只能感光，不能感磁，而之所以表现出感磁的特性，是因为结合了MagR。

　　谢灿等人筛选了果蝇的12536个基因，发现了唯一一个磁感应分子——MagR。在信鸽眼睛的视网膜中，MagR与CRY在同一位置出现，也就是说，它们共定位。它们似乎相互配合，形成一个分子机器。

　　在体外实验中，研究人员发现，MagR与CRY在溶液中会自发地结合在一起，形成一个短棒，MagR位于轴心，CRY包裹在外侧。MagR也可以单独形成一个短棒。

　　更令人惊讶的是，这样短棒像是一个真正磁铁，它会吸在铁珠上，也能像一个真正的指南针一样，随着外界磁场的变化而转动。

　　人们此前的研究发现，鸟类的磁感应能力依赖光照，在只有红光存在的情况下，部分鸟类的磁感应能力大大减弱，在蓝绿光存在时，其磁感应能力较为准确。

　　谢灿研究团队认为，MagR与CRY形成的分子机器使光磁偶联，它既能感光，又能感磁。在阳光或月光等光线存在时，信鸽利用其视网膜细胞的这一分子机器捕捉到地球磁场信息，并转化成电信号，这一电信号被神经细胞传递到信鸽大脑中，然后信鸽作出决策，决定飞向哪里。

　　由于MagR可以单独形成短棒状结构，研究人员认为，一些生物可以在没有光存在的情况下，通过地球磁场导航。

　　谢灿特别强调，这只是动物磁感应的“生物指南针”模型，其具体过程有待进一步研究和证实。刚刚发表的研究成果，仅仅解决了“信鸽是如何感应到磁场”这一问题。

　　刷新误解二：生物磁性基于铁原子而非四氧化三铁

　　美国科学家1978年还提出CRY蛋白的“自由基对理论”，认为该蛋白感光后，产生自由基对，从而产生内部磁场，目前没有新的实验证据支持这一理论模型。

　　此外，还有研究认为，磁铁矿——四氧化三铁（Fe3O4）可能是生物磁性产生的原因，而且有科学家在鸟喙中发现了含铁的磁小体。但随后鸟喙中的铁被证明来自于巨噬细胞，而非神经细胞，难以转化和传递地磁信号，该理论模型一直遭到质疑。

　　但谢灿等人的研究则认为，生物磁性基于铁原子，而非四氧化三铁。

　　MagR在包括人类在内的多种生物体内都存在，它属于铁硫簇结合蛋白，结合有铁原子。MagR短棒中的铁原子形成多个“铁环”，“铁环”中可能存在电流，这可能是MagR复合物具有生物磁性的原因。

　　谢灿告诉《自然》记者，早在2015年4月份，就MagR蛋白的诸多应用，包括磁遗传学应用，他已经申请了专利。接下来，谢灿将研究人类体内不同的MagR突变体，以揭开它们与不同人群方向感强弱有别之间的关系。

　　磁生物学领域的国际知名专家、牛津大学生物化学家皮特·豪（Peter Hore）向《自然》记者称，这是一篇非同寻常的论文。

　　但也有一些不同的声音，由于该研究没能揭示出MagR复合物感应磁场的细节机制，德国慕尼黑大学的地磁学家迈克尔·温克范（Michael Winklhofer）认为，谢灿的发现可能只是实验被污染才得到的结果，自己将通过实验来跟进谢灿的发现。如果最终被证实是真的，那这个发现真的是揭开磁感应分子机制上的一个巨大进步，而信鸽体内“指南针”之谜也终将被揭开。