谢灿课题组发现磁感应蛋白

    自然界中有许多物种，像是天生就自带指南针属性，可以长途跋涉不迷路。科学家们认为，这种神奇的“方向感”，可能得益于它们具有“第六感”磁觉——即生物利用地磁场准确寻找正确的方向。

生物能够利用地磁场提供的哪些信息？

    地球可以看成一块大磁铁，地磁场的磁感线在地球内部和两个磁极的连线重合，在地球外部围绕地表上空形成闭合曲线，如图所示：

    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地球表面磁场与地平线所成的夹角准确定位纬度，并通过太阳和月亮结合地磁场的信息来确定经度。
    科学家们好奇的是，生物到底是怎样感知强度弱到0.35-0.65高斯量级的地磁场（一般永磁铁附近的磁感应强度为4000-7000高斯），并准确辨别磁场方向指导前进方向？为什么作为高等哺乳动物的人类并不能从意识上感知地磁场？有些人非常有方向感，但是有些人却是路痴，这和其他生物的感磁能力是否有相关性？

生物磁感受的研究历史

    早在人类学会使用罗盘导航的时候，就有人猜测生物能够感知并且利用地磁场。1971年康奈尔大学的研究员发现鸽子的飞行方向受磁场影响。不久，美国科学家布莱莫尔（Blakemore）在沼泽沉积物和海洋淤泥中分别观测到感应磁场的细菌，这种细菌能够被磁铁吸引，体内有富铁物质。基于以上事实，人们提出了基于铁磁物质的生物磁受体理论。很快人们又发现知更鸟的磁导航能力同时还受到光波段的影响，即光磁耦合现象。1978年美国伊利诺伊大学教授舒尔滕（Schulten）首次提出“自由基对理论”模型，磁受体很可能来自一种名为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，并且需要视觉系统的参与。这个模型后来成为许多理论工作的雏形，由里茨（Ritz）等人逐步完善，而Cry蛋白几十年来一直是磁受体蛋白的唯一候选者。

　　
生物感磁研究的新突破

    2015年11月16日，北京大学生命科学学院的谢灿课题组在《自然材料》（Nature Material）杂志上发表了一篇轰动生物感磁研究领域的论文。作者首先提出了一个基于蛋白质的生物指南针模型（Biocompass model）。该模型认为，存在一个铁结合蛋白作为磁感应受体 （Magnetoreceptor，MagR），该蛋白通过线性多聚化组装，形成一个棒状的蛋白质复合物（Magnetosensor），就像一个小磁棒一样有南北极。而前人推测的感磁相关蛋白Cry和磁感应受体MagR通过相互作用，在MagR棒状多聚蛋白的外围，缠绕着感光蛋白Cry，从而实现“光磁耦合”。

图片来源：Can Xie et al. Nature Material, 2015

   在这一模型的理论框架下，谢灿课题组通过计算生物学预测、果蝇的全基因组搜索和蛋白质相互作用实验发现了一个全新的磁受体蛋白（MagR）。
   MagR属于铁硫簇结合蛋白（简称铁硫蛋白），每一个蛋白质单体结合一个二铁二硫形式的铁硫簇。生化实验和电镜结构分析，结合蛋白质结构模拟，呈现了这一蛋白质生物指南针的组成和架构，与预测的模型完全吻合。生物物理学实验证明，MagR蛋白复合物具有很明显的内禀磁矩，能明显被铁磁物质吸引。作者推测该蛋白质复合物磁性的物理基础可能基于MagR蛋白在棒状多聚复合物的轴线上铁原子的有序排列以及在由铁硫簇形成的平行“铁环”中可能存在环形电流。同时，动物免疫组织化学实验也证明了MagR和Cry在鸽子视网膜存在共定位，暗示着动物可能可以“看”到地球磁场的存在。

谢灿和学生交流 生命科学学院供图

    谢灿课题组一系列的实验初步确认并建立了基于MagR蛋白的生物指南针感磁机理，对生物感磁机制的发展有着至关重要的影响。由于MagR蛋白自身具有内禀磁矩，加之MagR蛋白与Cry蛋白相似的特征（例如在果蝇头部和在鸽子视神经细胞中大量表达；在进化上出现得很早，广泛存在于生物界各类物种），Cry蛋白占据了20多年的“第一磁受体蛋白”地位受到了强烈撼动。在鸟类、果蝇和拟南芥中发现的感磁行为，只能暗示Cry蛋白是“光耦合感磁通路”中必不可少的成员，却不能直接证明Cry就是第一个接受到磁场信号的受体蛋白。与之相比， MagR蛋白具有明显的内禀磁矩和更清晰的物理模型，或许比Cry蛋白更有可能成为真正的磁受体蛋白，而Cry很可能只是信号传导环节中的一员。MagR磁受体蛋白的发现必然掀起生物感磁研究的新一波热潮，推动整个生物磁感受能力研究的发展。
 （北京大学定量生物学中心 曾维倩）