报社主编何丽萍
尽管人眼可以看到可见光谱中的各种颜色，耳朵可以听到20至20,000赫兹频率范围内的声音，但我们仍然不知道我们是否有任何感官能够探测到地的磁场。完全是个谜。
公众称之为“第六感”，但科学家不喜欢它。在过去的几十年里，他们一直试图解开鸟类如何获得感官的谜团。我们如何利用地磁场？欧洲知更鸟是一个很好的研究对象，这种夜间活动的候鸟已经展示了地磁导航能力，每年季节性迁徙时，可以利用弱至0.5高斯左右的地磁波来长距离定向。
但其背后的机制是什么呢？这个题需要高度的跨学科合作才能回一两个题。北京时间6月23日23时，顶级学术期刊《自然》在线发表了来自德国奥尔登堡大学、英国牛津大学、中国科学院合肥物质科学研究院的封面文章科学。来自美国普渡大学、德克萨斯西南医学院和德国弗莱堡大学的科学家与其他团队共同完成了一项名为“迁徙鸣禽中隐花色素4的磁敏感性”的重磅研究。研究表明，鸟类视网膜中的隐花色素蛋白对磁场敏感，可能是人们期待已久的磁传感器。
这项研究的通讯作者有六位，其中一位是中国科学院合肥物质科学院强磁场科学中心谢灿研究员，强磁场科学中心是联合通讯单位。谢灿实验室联合奥尔登堡大学团队，在实验室首次成功制备了来自夜行性候鸟欧洲知更鸟的具有生物活性的Cry蛋白，为整个研究的成功奠定了基础。
谢灿在接受澎湃新闻编辑采访时表示，这种从2016年开始的多边合作只是各实验室生物磁感应研究的第一步。“这篇文章也是我们长期合作的第一步。”未来还有很多工作有待研究所及其合作伙伴探索。
谢灿2001年毕业于中国科学院遗传与发育生物学研究所，获理学博士学位。同年8月移居美国，在哈佛医学院TimothySpringer实验室参与分子生物物理学和结构生物学研究。2009年至2019年任北京大学生命科学系教授。2019年11月受邀到中国科学院强磁场科学中心调任研究员，他目前很活跃。2020年12月，双方共同成立“磁生物学前沿研究中心”。
值得一提的是，2016年，谢灿实验室在期刊《自然-材料》上发表了动物磁学和生物导航领域的独特突破，在上首次发现动物如何感知磁场。该基因编码的磁感受器蛋白具有内在磁性，可以通过与Cry蛋白形成复合物来识别和响应外部磁场。据此，谢灿提出了动物磁力的“生物罗盘”假说。该研究被评为“2015年中国生命科学十大进展”之一。
牛津大学化学系物理与理论化学研究所的PeterHore教授也是这项最新研究的通讯作者。霍尔是生物磁传感假说的主要思想流派之一，是隐花色素依赖性化学自由基对模型的主要贡献者。“如果我们能够证明Cry4是一种自身受体分子，”他在回复澎湃新闻采访的电子邮件中写道。“我们还证明了一种基本的量子机制，可以让动物感知极其微弱的环境刺激，比之前想象的要弱一百万倍。”
就上述化学自由基对假说而言，它可以追溯到1978年。当时，德国化学家KlausSchulten等人提出了将量子纠缠引入这一研究领域的初步模型，他们认为鸟的磁感应机制与自由基对的纠缠态有关。舒尔滕的团队终于在2000年发表了他们的发现，指出隐花色素很可能是鸟类自我探测过程中的关键分子，并对自我感知过程做出了大胆的测。
经过近20年的发展，这一假说的轮廓已日渐清晰。首先，隐花色素的光敏色素辅基FAD吸收蓝光光子的能量，引起FAD基团的电子跃迁并留下空隙。轨道；“电子转移”涉及从四个相邻的色氨酸顺序捕获电子。此时，分离的电子对由于量子纠缠而同时具有自旋单重态和三重态，最终两种状态达到微妙的平衡。它可以通过地磁场的方向来确定，并以允许生物体对地磁信息做出反应的方式将该信息传输到大脑。
研究团队从物理、化学、生物学等多个方面系统、完整地总结了自由基对假说的基本原理和支持证据。
这项多边研究以欧洲知更鸟的隐花色素4蛋白为主要研究对象，与现有理论研究进行对比，进行了一系列高精度光谱测试和计算生物学模拟，是理论与实验的相互验证。完成了。这是首次全面表征夜间候鸟隐花色素蛋白中自由基的光化学磁化率特征，证实并完善了自由基的磁感应机制，为深入解释地磁定向行为提供了重要基础。做。游客。
候鸟中的功能性Cry4蛋白
2000年初，科学家利用理论计算表明光敏蛋白隐花色素可能是一种自身受体蛋白。理论上，在蓝光条件下，外部磁场信息可以转化为隐花色素蛋白中光自由基对的量子产率变化，并可以在细胞中检测到。
为什么科学家认为隐花色素蛋白是动物磁感受器分子？论文第一作者、奥尔登堡大学的徐晶晶在论文中解释说，隐花色素蛋白可以与黄素腺嘌呤二核苷酸的电子结合，形成磁敏自由基对[FAD-TrpH+]，我做到了。
“FAD可以说是这种磁敏分子的‘心脏’，只有隐花色素蛋白与辅因子FAD结合才具备磁敏性的先决条件。”徐晶晶目前是奥尔登堡大学HenrikMouritsen实验室的研究员。博士生徐晶晶在德国留学之前获得了中国科学院电工研究所硕士学位，并在谢灿教授实验室接受了生化技术方面的培训。
自由基对自诱导假说自1978年提出以来一直没有在藻类中得到实验证实，原因之一是重组表达的藻类隐花色素蛋白经常因蛋白质的错误折叠而丢失。关键的假体组FAD被隐花色素取代。
“自由基对假说最大的遗憾是，科学家们无法获得候鸟隐花色素蛋白磁敏感性的实验证据。早期尝试使用实验室植物或非迁徙动物来检测隐花色素蛋白。虽然一些实验研究虽然对花青素蛋白进行了研究，但由于纯化鸟类隐花色素蛋白存在困难，候鸟这种最常见的迁徙动物从未真正被研究过。”谢灿补充道。
在这项研究中，科学家们最终获得了一种功能性的FAD结合迁移性隐花色素蛋白。在谢灿和Mouritsen的指导下，徐晶晶利用实验室定制优化的Cold-Shock蛋白表达系统，表达并纯化了来自夜间候鸟的具有生物活性的Cry4蛋白。由于FAD发色团的存在，蛋白质样品呈现出美丽、透明的黄绿色，质谱分析表明该蛋白质具有高达97的FAD结合率。这为整个研究的成功奠定了基础。
获得欧洲知更鸟Cry4蛋白实际上是一个相当大的挑战。谢灿告诉澎湃新闻编辑，2016年4月开始合作时，原计划是在谢灿实验室国内制备蛋白质，然后空运给海外合作团队。下一阶段测试的运输。
在之前的MagR研究中，谢灿成功表达并纯化了信鸽的MagR和Cry蛋白以及这两种蛋白的复合物。
然而，运输选择并不可行。谢灿清楚地记得，2016年6月9日，他将实验室的第一批样本送到英国牛津大学进行检测，但这并不容易。“为了在范围内长途运输蛋白质样本，它们必须首先被冷冻，然后在到达目的地实验室后解冻。这时题就被发现了无论是Cry蛋白、我们发现的MagR蛋白，还是复合物。两者，这些都与磁感应有关。“所有的蛋白质都非常不稳定，对温度极其敏感。在冷冻和解冻过程中，它们的活性大大降低甚至消失。”以我们研究中的Cry4蛋白为例，它经历了长途运输，经过冷冻和解冻过程，核心FAD辅基与Cry4蛋白分离，Cry4蛋白也失去了活性。
在这种情况下，如何“保存”Cry蛋白，是一个亟待解决的题。此时，许晶晶正在申请莫里森研究所的访学者。2016年11月，Mouritsen提出让徐晶晶直接去谢灿的实验室学习全套蛋白表达和纯化技术。在合作框架内，谢灿非常开放。“这对我们也有好处，因为我们希望其他人能够重复我们发布的文章。”经过两个多月的紧张“速成班”，徐晶晶加入了莫里森研究所。
“徐晶晶在Mouritsen实验室从零开始搭建了整个系统，花了大约7到8个月的时间。Cry4蛋白的表达和纯化得到了完美的复制，并表现出非常好的活性。”关键基石工作已经完成。Hore和Mouritsen按捺不住激动的心情，在给谢灿的电子邮件中表达了他们的兴奋之情，至此三方正式建立了长期合作伙伴关系。“我们三个人的背景完全不同。霍尔是物理学家，专注于物理化学，莫里森研究动物行为和神经生物学，我研究蛋白质，所以我们三个人各有所长，相辅相成。”谢灿描述了这次三方合作。
接下来的两年，徐晶晶一般都是早上准备好蛋白质，从德国坐飞机飞往英国，下午抵达牛津大学，直奔实验室测试蛋白质的性能。即自由基对光化学反应的磁敏感性。谢灿访牛津大学时曾“经历了一半”。“两年多的时间里，她基本上是在两个国家的不同实验室之间来回进行实验，实验就是这样进行的，是的。”谢苏说道。
我们首次使用来自候鸟的隐花色素蛋白对自由基对假说进行了实验测试。
在这项研究的开展过程中，由于实验内容和所涉及的测试的复杂性，涉及了更多的实验室。正如论文中提到的，研究团队已经开发并继续改进各种光谱技术来研究磁场对隐花色素光化学的影响。
牛津大学研究团队开发了一系列专门用于研究隐花色素光化学磁场效应的光谱技术，包括瞬态吸收光谱测试、谐振腔环路衰减光谱测试、宽带腔增强吸收光谱测试和电子顺磁性。共鸣。霍尔是这样解释的“这些设备是通过我们实验室几代才华横溢的博士后和研究生的共同努力开发的。”
徐晶晶说，简单来说，研究人员将蛋白质样品置于磁场中，用450nm蓝光照射，检测不同磁场条件、不同时间分辨率下蛋白质中瞬时自由基对光吸收的变化。
实验结果表明，施加磁场后，隐花色素蛋白的自由基产量发生了变化，即出现了磁场效应，发现欧洲知更鸟隐花色素蛋白的磁场效应是其1020倍。比欧洲知更鸟强。来自非候鸟的隐花色素蛋白。
研究小组还确定了这种磁敏感性的机制，该机制基于蓝光吸收触发的电子转移反应。蛋白质分子由一系列氨基酸组成。Cry4具有527个氨基酸，其中4个色氨酸对其磁敏感性特性非常重要。在蓝光激发下，电子在FAD和这四种色氨酸之间跳跃，产生所谓的自诱导自由基对。牛津大学的彼得霍尔和奥尔登堡的物理学家伊利亚S。
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