MagR：揭开“第六感”之谜？

S.西尔维希耶

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人类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体内。研究显示，帝王蝶、龙虾、信鸽等动物都能感知磁场。

然而，要阐明这些动物自带的“指南针”在哪里、怎样发挥作用，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。2015年11月16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，研究论文发表在《自然-材料》杂志上。该突破性进展，或将揭开被称为生物“第六感”的磁觉之谜。

至此，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。

入手点：隐花色素

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。

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的磁敏感行为中发挥关键作用。这个结果让谢灿意识到这是个从宏观做到分子机理的切入点。

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。然而谢灿团队意识到，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新的方向——Cry蛋白很可能与某种蛋白质合作才能感受地磁场。

如果这种蛋白质具有磁感应功能，它应该具有磁性和生物活性。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。

让Cry蛋白“指认”同伴

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同伴。在14个蛋白质中，只有一种蛋白质——果蝇的CG8198 蛋白——能与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。他们的课题和很多实验室有合作关系，每个实验室都完全公开透明，不设防地进行合作，各领域的专家给了他们极大帮助。

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模型。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。

这样的结构，是否能被像地磁场这么弱的磁场改变方向？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。

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。（来源：果壳网 责任编辑/和恩馨）