北大教授發現新型磁感應蛋白：有望解釋第六感

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2015年11月16日，北京大學生命科學學院的謝燦課題組在《Nature Material》雜誌在線發表論文，首次報道了一個全新的磁受體蛋白（MagR），該突破性進展或將揭開被稱為生物「第六感」的磁覺之謎，並推動整個生物磁感受能力研究領域的...2015年11月16日，北京大學生命科學學院的謝燦課題組在《Nature Material》雜誌在線發表論文，首次報道了一個全新的磁受體蛋白（MagR），該突破性進展或將揭開被稱為生物「第六感」的磁覺之謎，並推動整個生物磁感受能力研究領域的發展。

我們平時去一個不熟悉的地方，常常需要手機導航來幫忙。可是自然界中有些生物，卻像是天生就自帶指南針屬性，可以長途跋涉不迷路，例如帝王蝶、鮭魚、龍蝦、海龜、遷徙的鳥類等。還有一些生物，會按照地球磁場的方向築巢，打洞或者睡眠，如指南白蟻、鼴鼠等等。
科學家們認為，生物之所以具有這種神奇的「方向感」，原因之一在於它們的感覺系統除了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺之外，還有被稱為「第六感」的磁覺——即生物利用地磁場準確尋找正確的方向。

最早由美國伊利諾伊大學教授Schulten在1978年提出的「自由基對理論」模型認為，磁受體很有可能來自一種名為Cryptochrome（簡稱Cry）的藍光受體蛋白，這個過程涉及電子在磁場下的量子化學反應，並且需要視覺系統的參與。這個模型後來成為許多理論工作的雛形，由Ritz和Wiltschkos等人逐步完善，而Cry蛋白幾十年來一直是唯一的磁受體蛋白的候選者。
生物感磁研究的新突破
2015年11月16日，北京大學生命科學學院的謝燦課題組在《Nature Material》雜誌上在線發表了生物感磁研究領域的一項突破性進展。作者首先提出了一個基於蛋白質的生物指南針模型（Biocompass model）。該模型認為，存在一個鐵結合蛋白作為磁感應受體（Magnetoreceptor，MagR），該蛋白通過線性多聚化組裝，形成了一個棒狀的蛋白質複合物（Magnetosensor），就像一個小磁棒一樣有南北極。而前人推測的感磁相關蛋白Cry和磁感應受體MagR通過相互作用，在MagR棒狀多聚蛋白的外圍，纏繞着感光蛋白Cry，從而實現「光磁耦合」。
在這一模型的理論框架下，謝燦課題組通過計算生物學預測、果蠅的全基因組搜索和蛋白質相互作用實驗發現了一個全新的磁受體蛋白（MagR）。
MagR屬於鐵硫簇結合蛋白（簡稱鐵硫蛋白），每一個蛋白質單體都結合了一個二鐵二硫形式的鐵硫簇。生化實驗和電鏡結構分析，結合蛋白質結構模擬，呈現了這一蛋白質生物指南針的組成和架構，與預測的模型完全吻合。
生物物理學和物理學實驗證明，MagR蛋白複合物具有很明顯的內稟磁矩，能通過磁場在實驗室富集和純化得到。作者不僅從物理性質上測量了該蛋白在溶液狀況下的磁性特徵，還通過電鏡觀察到MagR蛋白質複合物能感應到微弱的地球磁場（在北京大致為0.4高斯），並沿着地球磁場排列。人工增強磁場強度可以導致這種排列更加有序。

實驗中也觀測到了蛋白質晶體呈現極強的磁性，能明顯被鐵磁物質吸引，當外界磁場突然反向時，蛋白質棒狀複合物會發生180°跳轉。作者推測該蛋白質複合物磁性的物理基礎可能基於MagR蛋白在棒狀多聚複合物的軸線上鐵原子的有序排列以及在由鐵硫簇形成的平行「鐵環」中可能存在環形電流。同時，動物免疫組織化學實驗也證明了磁感應受體MagR蛋白質和光受體Cry蛋白質在鴿子視網膜存在共定位，暗示着動物可能可以「看」到地球磁場的存在。
謝燦課題組的這一系列的實驗初步確認並建立了基於MagR蛋白的生物指南針感磁機理。MagR蛋白的發現，對生物感磁機制的發展有着至關重要的影響，由於MagR蛋白自身具有內稟磁矩，加之MagR蛋白與Cry蛋白相似的特徵（例如在果蠅頭部和在鴿子視神經細胞中大量表達；在進化上出現得很早，廣泛存在於生物界各類物種），Cry蛋白佔據了20多年的「第一磁受體蛋白」地位受到了強烈撼動。
與之相比，謝燦課題組發現的MagR蛋白，具有明顯的內稟磁矩和更清晰的物理模型，或許比Cry蛋白更有可能成為真正的磁受體蛋白，而Cry很可能只是信號傳導環節中的一員。MagR磁受體蛋白的發現必然掀起生物感磁研究的新一波熱潮，推動整個生物磁感受能力研究的發展。「遠程調控」一直是合成生物學的一個熱門領域，磁感應蛋白MagR的發現給磁控生物提供了新的機遇。
新型磁感應蛋白MagR只有14.5 KDa，其單體只有130個氨基酸左右（不同物種略有差異），更方便進行基因操作，對目標生物的負擔也會更小。而且MagR具有亞鐵磁性，能響應普通磁鐵，理論上還能感應地磁場強度的磁場，或許MagR是更為理想的磁感應元件。
此蛋白的磁感應能力是謝燦課題組首次發現的，從磁感應元件的角度考慮，如何讓蛋白具有更靈敏的感磁性能，如何利用MagR蛋白將磁場信號轉化為生物信號還需要研究人員進一步探索。由於MagR的獨特的磁學性質，可能將直接引發基於MagR蛋白質的一系列的由磁場來操控生物大分子乃至細胞行為、動物行為的各種應用。

[圖擷取自網路，如有疑問請私訊]