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》雜志在線發(fā)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?qū)⒔议_被稱為生物“第六感”的磁覺之謎，并推動整個生物磁感受能力研究領域的發(fā)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?？墒亲匀唤缰杏行┥铮瑓s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筑巢，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”，原因之一在于它們的感覺系統(tǒng)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。

　　生物能利用地磁場提供的哪些信息？

　　我們的地球可以看成一塊大磁鐵，地磁的南北極和地理南北極是相反的（地球北極是地磁南極，地球南極是地磁北極），并且地磁南北極之間的連線和地 理南北極之間的連線有一個偏角（磁偏角）。地磁場的磁感線在地球內(nèi)部和兩個磁極的連線重合，在地球外部圍繞地表上空形成閉合曲線，具體如下圖所示：

　　所以理論上，有“磁覺”的生物除了能利用地表附近的地磁場指示東西南北，還能通過所處位置的磁場強度以及磁傾角（地球表面磁場與地平線所成的夾角。一般來說，北半球的磁傾角為正，南半球的磁傾角為負）準確定位緯度，并且通過太陽和月亮結(jié)合地磁場的信息來確定經(jīng)度。

　　科學家們對于這種不可思議的磁場感受能力已探究了幾十年，他們好奇的是，生物到底是怎樣感知到強度弱到0.35-0.65高斯量級的地磁場（一 般永磁鐵附近的磁感應強度為4000-7000高斯），并且準確辨別磁場方向，從而指導前進方向？為什么作為高等哺乳動物的人類并不能從意識上感知地磁 場？有些人非常有方向感，但是有些人卻是路癡，這和其他生物的感磁能力是否有相關性呢？雖然有研究表明地磁場能夠影響人類視覺系統(tǒng)的感光能力，但是人類是 否具有感磁能力仍然存在爭議。

　　生物磁感受的研究歷史

　　早在人類學會使用羅盤導航的時候，就有人猜測生物能夠感知并且利用地磁場，比如鴿子的導航能力非常強，在戰(zhàn)爭年代常被用作信使。不過一開始人們 認為這種能力源自于它們能聽到地面特定地標傳到高空的聲波，能看到天空中的偏振光。但是后來人們發(fā)現(xiàn)信鴿在沒有陽光或者地標導航的情況下也能歸巢，所以人 們推斷，鳥類必定在用另一種我們不知道的方式來確定它們的飛行路徑。而這個猜測直到1971年才得到證實。

　　1971年的一個陰天，康奈爾大學的研究員在鴿子頭部固定磁鐵，在空曠的草地中央放飛，然后記錄它們的飛行方向。他們驚奇的發(fā)現(xiàn)，這些攜帶磁鐵 的鴿子變得完全沒有方向感。不久之后，美國科學家Blakemore在沼澤沉積物和海洋淤泥中分別觀測到感應磁場的細菌，這種細菌能夠被磁鐵吸引，體內(nèi)有 富鐵物質(zhì)。1984年發(fā)現(xiàn)食米鳥的喙部有大量鐵磁礦，20年后人們用透射電鏡清楚觀察到家鴿上喙部的富鐵微粒。基于以上事實，人們提出了基于鐵磁物質(zhì)的生 物磁受體理論。

　　在當時這個理論聽起來十分直觀可信，基于鐵磁物質(zhì)的生物磁受體理論后來也確實被證實能夠解釋某些物種的磁感受能力，例如趨磁細菌。然而趨磁細菌 中磁小體形成相關的基因在高等生物中并沒有找到同源基因，說明高等生物的磁感應應該是采取了一種截然不同的機理。2012年有研究表明鴿子鳥喙的鐵來自于 巨噬細胞，而不是神經(jīng)細胞，進一步動搖了基于鐵磁物質(zhì)的磁感應假說。從上世紀八九十年代開始，一些奇怪的實驗現(xiàn)象給科學家們帶來了新的困惑。比如說，歐洲 知更鳥（European Robin）的磁導航能力竟然同時還受到光的影響——藍綠光下可以正確導航，紅光下它就找不著北了。按理說，鐵磁物質(zhì)跟光波長應該沒什么關系，那么，到底 是什么物質(zhì)，感受到了磁場，并且受光的影響？

　　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，并且需要視覺系統(tǒng)的參與。這個模型后來成為許多理論工 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》雜志上在線發(fā)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于蛋白質(zhì)的生物指南針模型（Biocompass model）。該模型認為，存在一個鐵結(jié)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(zhì)復合物（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，纏繞著感光蛋白Cry，從而實現(xiàn)“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(zhì)相互作用實驗發(fā)現(xiàn)了一個全新的磁受體蛋白（MagR）。

　　MagR屬于鐵硫簇結(jié)合蛋白（簡稱鐵硫蛋白），每一個蛋白質(zhì)單體都結(jié)合了一個二鐵二硫形式的鐵硫簇。生化實驗和電鏡結(jié)構分析，結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)構模擬，呈現(xiàn)了這一蛋白質(zhì)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蛋白復合物具有很明顯的內(nèi)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(zhì)上測量了該蛋白 在溶液狀況下的磁性特征，還通過電鏡觀察到MagR蛋白質(zhì)復合物能感應到微弱的地球磁場（在北京大致為0.4高斯），并沿著地球磁場排列。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(zhì)晶體呈現(xiàn)極強的磁性，能明顯被鐵磁物質(zhì)吸引，當外界磁場突然反向時，蛋白質(zhì)棒狀復合物會發(fā)生180° 跳轉(zhuǎn)。作者推測該蛋白質(zhì)復合物磁性的物理基礎可能基于MagR蛋白在棒狀多聚復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(huán)”中可能存在 環(huán)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(zhì)和光受體Cry蛋白質(zhì)在鴿子視網(wǎng)膜存在共定位，暗示著動物可能可以“看”到地球磁 場的存在。

　　鐵硫蛋白屬于進化中非常古老的蛋白家族，很多高等生物中的鐵硫蛋白在細菌中也廣泛存在。比如說，真核生物的MagR在細菌如在大腸桿菌中的同源 蛋白名為Isca1。鐵硫蛋白最早由美國科學家Helmut Beinert在1960年發(fā)現(xiàn)，并在其后得到了廣泛研究，包括它們的蛋白質(zhì)組裝過程、生理學功能以及由于蛋白質(zhì)異常產(chǎn)生的疾病等等，但是從來沒有人把鐵 硫蛋白和生物感磁動物遷徙聯(lián)系在一起。編碼該蛋白的磁受體基因magr從昆蟲到人類高度保守，可能意味著生物磁感應機制的保守性。

　　謝燦課題組的這一系列的實驗初步確認并建立了基于MagR蛋白的生物指南針感磁機理。MagR蛋白的發(fā)現(xiàn)，對生物感磁機制的發(fā)展有著至關重要的 影響，由于MagR蛋白自身具有內(nèi)稟磁矩，加之MagR蛋白與Cry蛋白相似的特征（例如在果蠅頭部和在鴿子視神經(jīng)細胞中大量表達；在進化上出現(xiàn)得很早， 廣泛存在于生物界各類物種），Cry蛋白占據(jù)了20多年的“第一磁受體蛋白”地位受到了強烈撼動。

　　最近幾年，在果蠅和擬南芥中都發(fā)現(xiàn)了一些與Cry相關的感磁行為，比如磁場影響果蠅的生物鐘周期，用磁場訓練果蠅走T型迷宮，磁場強度影響擬南 芥生長等等。研究人員通過遺傳突變實驗證明了感磁行為與Cry蛋白有關，通過調(diào)節(jié)實驗環(huán)境中的光強以及光波段，證明了感磁行為依賴于藍光波段的光，而 Cry早已被證明是廣泛存在于生物界的藍光受體蛋白。但是通過這些實驗研究，我們只能推測Cry蛋白是“光耦合感磁通路”中必不可少的成員，卻不能直接證 明Cry就是第一個接受到磁場信號的受體蛋白。雖然目前已經(jīng)在體外通過瞬態(tài)光譜測量到Cry蛋白的信號態(tài)壽命受磁場強度的影響，但無論是理論上的磁場產(chǎn)生 的能量差，還是實際測量到的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的信號都十分微弱，生物要通過Cry蛋白感應地磁場信號，必須有特殊的信號放大機制，而目前并沒有相關理論可以解釋 得十分清楚。

　　與之相比，謝燦課題組發(fā)現(xiàn)的MagR蛋白，具有明顯的內(nèi)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(huán)節(jié)中的一員。MagR磁受體蛋白的發(fā)現(xiàn)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(fā)展?！斑h程調(diào)控”一直是合成 生物學的一個熱門領域，磁感應蛋白MagR的發(fā)現(xiàn)給磁控生物提供了新的機遇。

　 　相對于光控和溫控，磁場控制有著穿透力強、損耗小、覆蓋大、毒性低、副作用少、安全性高等優(yōu)勢，但由于缺少好用的磁感應元件，該領域的發(fā)展一直舉步維 艱。比較成功的例子有基于趨磁細菌磁小體的研究以及洛克菲勒大學Friedman等人利用鐵蛋白打開離子通道的工作。趨磁細菌合成磁小體的過程十分復雜， 涉及30-40個基因，目前研究人員還只能做到將整個基因簇導入近緣物種紅螺菌，使之合成一串線性排列、生物膜包被的磁小體。目前磁小體人工合成的可控性 以及其磁學性能都不太理想。而鐵蛋白束縛的氧化鐵，具有超順磁性，在320 or 290高斯磁場作用下，能產(chǎn)生10pN（1pN=10^-6N）的拉力，研究人員通過巧妙的設計，使得這種拉力作用在鈣離子通道蛋白上，從而將磁場信號轉(zhuǎn) 化為生物信號。鐵蛋白由24個亞基組成，整個蛋白有450 KDa（生物學中蛋白質(zhì)的分子量單位，1kDa=1000摩爾質(zhì)量），在自然條件下是負責儲存和轉(zhuǎn)運鐵的，并不具有磁感應功能，要將其用作磁感應元件需要 一些人為的設計。

　　而謝燦課題組發(fā)現(xiàn)的新型磁感應蛋白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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)化為生物信號還需要研究人員進一步探索。由于MagR的獨特的磁學性質(zhì)，可能將直接引發(fā)基于 MagR蛋白質(zhì)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。