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【论文故事】抓到你了,“生物指南针”!

时间:2015-11-18 20:50来源:果壳网 作者:S.西尔维希耶 阅读:

从司南到航海罗盘,再到装有磁强计的智能手机,聪明的人类发明出了各种各样的工具,利用磁场来辨别方向。制造指南针这样的事情固然没有其他动物能够胜任,但自然选择将堪称神奇的磁场感应能力放进了许多动物的身体之中。研究显示,帝王蝶、龙虾、信鸽等动物都能够感知磁场。

然而,要阐明这些动物自带的“指南针”在哪里、是怎样发挥作用的,可比在路上找得着北困难多了。为了解释动物们感受磁场的机制,科学家提出了各种可能的模型。近日,北京大学谢灿研究团队首次报道了一种具备磁场感应性质的蛋白质复合物,研究论文[1]发表在《自然-材料》杂志上。

被研究人员“追捕”已久的“生物指南针”,终于浮出水面。在这里,我们不妨做一次案件还原,循着磁感应蛋白的发现之路再走一遍。

【论文故事】抓到你了,“生物指南针”!给我P个磁铁我也不会去做实验的。这个案子交给科学家吧。(设计对白)图片来源:《神探夏洛克》

假定你是刚刚开始这项研究的科学家,你要如何找到这个仅仅存在于你的假设中的“磁感应蛋白”?无论是分析案情或是分析数据,调查者都需要有个合适的入手点。

入手点:隐花色素

谢灿团队的“福尔摩斯”们在着手研究时,磁感应蛋白的一个“嫌犯”已经记录在案——可靠的研究证据提示,一种叫隐花色素(Cryptochrome,Cry)的蛋白质被证明在果蝇(Drosophila)的磁敏感行为中发挥关键作用。“这个结果让我意识到这是个从宏观做到分子机理的切入点。”谢灿对科学人说。

【论文故事】抓到你了,“生物指南针”!“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

Cry是一种黄素蛋白,作为蓝光受体,它是果蝇等多种动物的生物钟核心元件。然而谢灿认为,这种蛋白质本身并不足以发挥指南针的作用。可是要怎么解释它在磁场感应方面的作用?“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。”这一假设,将研究者的目光引向“共犯”——Cry蛋白很可能是与某种蛋白质合作才能感受地磁场的。

嫌犯家族:铁硫蛋白

如果这个“共犯”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。这一家族的蛋白质在细胞活动中扮演着重要角色,看起来很符合要求。这是第二条线索。

在果蝇中存在、属于铁硫蛋白家族、与Cry蛋白能够相互作用——依据这些信息,谢灿和同事们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。是的,这范围有点大。

研究者认为,如果磁感应受体蛋白要与Cry联手才能发挥作用,它们的位置就理应比较紧密。根据Cry蛋白在果蝇中的分布,实验室的侦探们推断了出磁感应受体可能的定位特征,将目标范围缩小到了98个蛋白质——还是太多了。但基因组计算预测工具说:我也只能帮你到这里了。

锁定目标,还得靠人

进一步的筛选只能依赖研究者的知识去执行。通过查阅大量的资料,研究人员最终人为挑选出了14个嫌疑最大的蛋白质。这里面会不会有磁感应受体?没有人知道。还好,在这个范围内,下一步的确认相对简单一些:只要把Cry蛋白拉出来,让它自己“指认”自己的伙伴就好了。

但再之后,研究者面对的就将是一片巨大的未知。“最大的问题在于,我们根本不知道一个实验会得到什么样的结果,即使得到结果,我们也不知道可能意味着什么,也不知道下一步怎么走下去,很多时候,根本没有任何文献可以供参考。”不过回过头看实验过程,谢灿表示:“如果总有文献可以参考,知道自己应该怎么做,反而就没有挑战性了。只有这种一无所知的状态,才是我心目中的科学。”

利用蛋白质相互作用的手段,研究人员最终找到了这个“嫌犯”。在所有的14个蛋白中,只有一种蛋白质——果蝇的CG8198 蛋白——能够与Cry形成稳定的结构。这个蛋白质被研究者命名为MagR。

“生物指南针”浮出水面

不过,让MagR和Cry还原“案发现场”的过程却又是困难重重。所幸,正如福尔摩斯身边有华生,谢灿团队也有给力的合作者。“我们的课题和很多实验室有合作关系,各领域的专家都给了我们极大帮助。”谢灿告诉科学人,“每个实验室都完全公开透明,不设防地进行合作。这是我体会到的合作精神。”

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解析。在这个复合体中,MagR排列成碟状,将金属分子紧紧的围在中心,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。

【论文故事】抓到你了,“生物指南针”!磁感应受体MagR与Cry蛋白的复合体结构模型(上:细节模型;中:粗粒度模型)及其在电镜下的图像(下)。图片来源:参考文献[1]

这样的结构,是否能被像地磁场这么弱的磁场改变方向?毕竟,要确认这个蛋白复合体具有磁感应能力,最终还是要把它放到磁场中,看看它到底会不会随着磁场的变化而改变。

在纯化得到Cry和MagR蛋白形成的复合物结晶之后,谢灿团队进行了实验,发现它们在外界磁场下,的确会像被磁铁吸引的小磁针一样,随着磁场的变化而改变朝向。这场历时六年的追踪,终告结束。

【论文故事】抓到你了,“生物指南针”!纯化得到的MagR-Cry蛋白复合物结晶具有磁感应功能,随着外界磁场变化,蛋白复合物的朝向也随之改变。图片来源:参考文献[1]

结案?还早

尽管“追捕”磁感应受体MagR的故事告一段落,但磁生物学的解谜故事才刚刚开始。虽然MagR的出现为新的生物磁感应理论提供了基础,但“侦探”们还需要更多更坚实的证据,才能更细致地还原真相。

论文一发表,维也纳分子病理研究所的神经生物学家大卫·基斯(David Keays)就在接受《自然》新闻团队的采访时表达了质疑:MagR和Cry这两种蛋白质在多种细胞中都存在,MagR中铁的含量如此微量,在动物体内、在生理温度下到底能不能发挥作用?他在表达怀疑时甚至说:“如果MagR真的是磁感应受体,我就吃了我的帽子。”[2]

面对这样的质疑,谢灿对科学人表达了理解:“在现阶段有争议其实是特别好的一个事情,正是争议才促进了科学的发展。”同时,他也对自己的研究结果充满自信:“如果可能,我希望能在未来和大卫·基斯一起喝咖啡,一起聊聊这段历史,也许,可以请他品尝巧克力帽子的味道?”

【论文故事】抓到你了,“生物指南针”!谢灿表示自己非常欢迎各种质疑和争议,希望能因此推动整个领域的发展。至于大卫用不用吃帽子,还需要靠后续的而研究结果说话。

谢灿希望自己的文章是在这领域迈出的坚实的第一步,而毫无疑问,这步过后,不断的推理和验证还将继续下去。“光和磁是如何偶联的?我们找到的蛋白质复合物的磁性的物理来源是什么?磁场被MagR感应到之后,信息如何往下传?如何被细胞或神经系统捕获和加工?动物迁徙的分子机理具体又是怎么样的?”谢灿说,“这些问题都需要从非常具体的分子和原子水平去加以解释。”

不过,尽管验证MagR蛋白在动物体内功能是个有趣的议题,这个生物物理学家并不打算将在动物模型中“追凶”的任务包揽在自己身上。他表示,他的实验室会继续用自己擅长的方法做自己最有自信的工作。

(编辑:Calo)

感谢谢灿教授审阅本文并提供照片资料。

参考文献:

  1. Siying Qin, et al. A magnetic proteinbiocompass. Nature Materials (2015) doi:10.1038/nmat4484

  2. David Cyranoski, Long-sought biologicalcompass discovered. Nature News.

(责任编辑:泉水)
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