MagR：揭開“第六感”之謎？

S.西爾維希耶

從司南到航海羅盤，再到裝有磁強計的智能手機，聰明的人類發明出了各種各樣的工具，利用磁場來辨別方向。制造指南針這樣的事情人類固然沒有其他動物能夠勝任，但自然選擇將堪稱神奇的磁場感應能力放進了許多動物的體內。研究顯示，帝王蝶、龍蝦、信鴿等動物都能感知磁場。

然而，要闡明這些動物自帶的“指南針”在哪里、怎樣發揮作用，可比在路上找得著北困難多了。為了解釋動物們感受磁場的機制，科學家提出了各種可能的模型。2015年11月16日，北京大學謝燦研究團隊首次報道了一種具備磁場感應性質的蛋白質復合物，研究論文發表在《自然-材料》雜志上。該突破性進展，或將揭開被稱為生物“第六感”的磁覺之謎。

至此，被研究人員“追捕”已久的“生物指南針”，終于浮出水面。在這里，我們不妨做一次案件還原，循著磁感應蛋白的發現之路再走一遍。

入手點：隱花色素

假定你是剛剛開始這項研究的科學家，你要如何找到這個僅僅存在于你的假設中的“磁感應蛋白”？無論是分析案情或是分析數據，調查者都需要有個合適的入手點。

謝燦團隊的“福爾摩斯”們在著手研究時，磁感應蛋白的一個“嫌犯”已經記錄在案——可靠的研究證據提示，一種叫隱花色素（Cryptochrome，Cry）的蛋白質被證明在果蠅的磁敏感行為中發揮關鍵作用。這個結果讓謝燦意識到這是個從宏觀做到分子機理的切入點。

Cry是一種黃素蛋白，作為藍光受體，它是果蠅等多種動物的生物鐘核心元件。然而謝燦團隊意識到，在依賴于光的磁場感應過程中，Cry可能只是負責感光的受體，而感磁則另有受體。這一假設，將研究者的目光引向新的方向——Cry蛋白很可能與某種蛋白質合作才能感受地磁場。

如果這種蛋白質具有磁感應功能，它應該具有磁性和生物活性。這兩個特征指向了一類叫做鐵硫蛋白的蛋白質大家族。這一家族的蛋白質在細胞活動中扮演著重要角色，看起來很符合要求。這是第二條線索。

在果蠅中存在、屬于鐵硫蛋白家族、與Cry蛋白能夠相互作用——依據這些信息，謝燦和同事們對果蠅的基因組進行了大搜索，在12536個編碼蛋白質的基因中找到了199種能結合鐵的蛋白質作為候選。是的，這范圍有點大。

研究者認為，如果磁感應受體蛋白要與Cry聯手才能發揮作用，它們的位置就理應比較緊密。根據Cry蛋白在果蠅中的分布，實驗室的偵探們推斷了磁感應受體可能的定位特征，將目標范圍縮小到了98個蛋白質——還是太多了。但基因組計算預測工具說：我也只能幫你到這里了。

讓Cry蛋白“指認”同伴

進一步的篩選只能依賴研究者的知識去執行。通過查閱大量的資料，研究人員最終人為挑選出了14個嫌疑最大的蛋白質。這里面會不會有磁感應受體？沒有人知道。還好，在這個范圍內，下一步的確認相對簡單一些：只要把Cry蛋白拉出來，讓它自己“指認”自己的伙伴就好了。

但再之后，研究者面對的就將是一片巨大的未知。“最大的問題在于，我們根本不知道一個實驗會得到什么樣的結果，即使得到結果，我們也不知道可能意味著什么，也不知道下一步怎么走下去，很多時候，根本沒有任何文獻可以供參考。”不過回過頭看實驗過程，謝燦表示：“如果總有文獻可以參考，知道自己應該怎么做，反而就沒有挑戰性了。只有這種一無所知的狀態，才是我心目中的科學。”

利用蛋白質相互作用的手段，研究人員最終找到了這個同伴。在14個蛋白質中，只有一種蛋白質——果蠅的CG8198 蛋白——能與Cry形成穩定的結構，這個蛋白質被研究者命名為MagR。

“生物指南針”浮出水面

不過，讓MagR和Cry還原“案發現場”的過程卻是困難重重。所幸，正如福爾摩斯身邊有華生，謝燦團隊也有給力的合作者。他們的課題和很多實驗室有合作關系，每個實驗室都完全公開透明，不設防地進行合作，各領域的專家給了他們極大幫助。

最終，研究者成功得到了均一的MagR-Cry蛋白質復合物，并完成了它在電鏡下的結構模型。在這個復合體中，MagR排列成碟狀，將金屬分子緊緊的圍在中心，而多個這樣的單元首尾相接，形成一個長長的棒狀結構，Cry蛋白則緊緊圍繞在這根“棒”的周圍。

這樣的結構，是否能被像地磁場這么弱的磁場改變方向？在純化得到Cry和MagR蛋白形成的復合物結晶之后，謝燦團隊進行了實驗，發現它們在外界磁場下，的確會像被磁鐵吸引的小磁針一樣，隨著磁場的變化而改變朝向。這場歷時六年的追蹤，終告結束。

盡管“追捕”磁感應受體MagR的故事告一段落，但磁生物學的解謎故事才剛剛開始。雖然MagR的出現為新的生物磁感應理論提供了基礎，但“偵探”們還需要更多更堅實的證據，才能更細致地還原真相。（來源：果殼網 責任編輯/和恩馨）