覃思颖讲磁力感知（3）

我们就从果蝇的全基因组中来一步一步的进行筛选。最终是确定其中只有一个是可以和隐花色素有相互作用的，这个也就是我们要找的磁感应受体蛋白，我们把它命名为MagR ，也就是磁感应受体Magnetoreceptor的英文缩写。MagR作为磁性的生物材料，它未来的应用前景可能包括很多

在2010年的时候，我刚刚加入谢灿老师的实验室。当时谢老师对于动物的磁感应能力有很强的兴趣，而且他也对这个方向有自己独特的想法和思路。当时我也想做一些比较有意思的研究，于是就一拍即合，我们就开始了磁感应的分子机理的研究。当时在学术界被认可的这两个假说都有一定的局限性。像第一个磁矿石晶体假说，因为在2012年的时候，发现这些磁矿石并不是存在在神经细胞中的，然后受到很大的质疑。第二个化学指南针假说，并没有直接证据可以证明这个隐花色素就是真正的磁感应分子。这个隐花色素只能检测磁场的磁倾角，并不能检测磁场的极性。那生物是怎样去检测磁场的极性的，应该还有其他的分子来帮助进行。那我们就根据这两个假说，现在已经有的一些研究成果，就提出了新的一个磁感应机理假说，我们称它为生物指南针模型。我们猜测隐花色素并不是真正的磁感应受体分子，隐花色素只是磁感应通路中的一员，是协助真正的磁感应受体分子来进行磁感应的信号的接收或者传递的。对于真正的磁感应受体分子，我们有以下几点的猜测。第一点、铁是自然界中比较常见的，最常见的能够感磁的物质，也是广泛存在在生物体内的这么一种元素；还有铁硫簇是一个古老的普遍存在在生物体内的这么一种物质。于是我们猜测这个真正的磁感应受体分子，它是含有铁或者铁硫簇的这么一类蛋白。第二点、这种磁感应受体它的表达量应该是主要在动物的头部，特别是眼部，还有脑部，它的表达量应该是比较高的。第三点，这种磁感应受体蛋白它应该是表达在胞质中。因为不像其它的一些受体蛋白，比如说味觉就需要在舌头的表面来接受。因为磁场是可以直接穿透生物体的，所以这种磁感应的受体它并不需要锚定在特别的一个位置，例如说在皮肤上来接收这个磁感应信号，它可以在细胞中的任何一个位置来接收这个磁感应信号。第四点，就是我们猜测它应该是和刚刚提到的隐花色素是有相互作用的，两种蛋白形成一个复合物，甚至可以形成多个这些蛋白一起组装，形成一个高聚的复合物。这些蛋白质高聚的这么一个现象，是可以帮助放大微弱的地磁场的信号，来帮助生物体进行磁感应。然后根据这个猜想，我们就开始了磁感应受体分子的寻找之路。

我们就从果蝇的全基因组中来一步一步的进行筛选。基因组中有1万多个基因是表达蛋白的，然后从这1万多个表达蛋白的基因中筛选出有199个是含铁蛋白，其中有132个是在果蝇的头部有高表达。从这132个蛋白中再确定有98个是定位在细胞质中的，然后再对这98个蛋白进行人工的分析，就是每一个都看它的现在已经有的研究，它们的功能是怎样的，最终是确定了14个磁感应蛋白的候选蛋白。我们将这14个蛋白进行生化实验的研究，来检测它们是不是和隐花色素有相互作用。最终是确定其中只有一个是可以和隐花色素有相互作用的，这个也就是我们要找的磁感应受体蛋白，我们把它命名为MagR ，也就是磁感应受体Magnetoreceptor的英文缩写。我们后续的实验就是想验证这个MagR ，它到底是不是真的具有磁感应能力？

我们从生物数据库里边找到了从细菌到昆虫、到鸟类、到哺乳动物的MagR的基因，发现这个MagR它的蛋白质序列保守性很高，也就是说不同物种磁感应受体MagR，它的序列的相似性非常的高。也就是说，这个MagR蛋白它应该是行使了很重要，而且很古老的这么一个功能。然后我们通过大肠杆菌的重组表达和蛋白质纯化，我们就得到了果蝇、鸽子和黑脉金斑蝶，还有人的MagR和隐花色素的复合物。我们再通过凝胶过滤层析，来确定了蛋白质复合物是存在高聚的状态的。再通过透射电镜，来观察高聚状态中的蛋白是以棍状形式存在的。我们还对单独的磁感应受体进行了类似的实验，也确定这个单独的磁感应受体MagR，它也可以形成高聚，而且也是以棍状的形式存在的。既然是磁感应复合物，那最重要的一个实验就是验证它是不是真的能够对磁场起反应。我们还对这个磁感应复合物进行了一个晶体的筛选，我们最终得到了磁感应复合物的类似晶体的一个聚集物。很神奇的是，我们用磁铁去靠近这个晶体的时候，这个晶体是可以发生反应的，并且这个晶体本身也是棍状的，就像指南针一样，它还具有极性。然后我们观察到这个现象的时候都觉得非常的惊喜。因为这个是之前没有任何报道过在体外有任何一种蛋白质是可以在磁场下发生反应的。这个是我们发现的第一种蛋白，是可以在体外受到磁场的影响发生反应的。我们还对这种磁感应复合物进行了磁学上的测量，确定了它们是具有铁磁性的。我们还确定了在鸽子的视网膜神经细胞中是有这两种蛋白的表达的。

那是不是所有含有铁元素的蛋白质都能够感磁呢？我们也做了相关的研究，有一个蛋白叫ferritin，它是人铁转运蛋白。它是负责在人体里边来传送铁元素、铁离子的，它是一个球形笼状的这么一个结构的蛋白质。它在这个笼子里边就装有非常多的铁离子。那这个蛋白它含有的铁离子比我们所研究的那个对象MagR蛋白的铁离子多很多很多。那它能不能够感应磁场，我们也做了一个研究，也是把这个蛋白直接进行了一个磁性的测量，然后发现它并没有这个磁感应能力。所以，这个磁感应能力和含铁的多少并没有直接的关系。所以我们就认为这个MagR它的感磁能力，可能并不能从宏观的经典力学里边来解释。很有可能它里边就是牵涉到了一些量子力学的角度，要从量子力学角度来分析，为什么MagR蛋白它含有的铁原子这么少，它也能来感应磁场。在隐花色素里边，它是对光敏感的，然后在光的刺激下，它会产生这些自由基对，电子传递链中的这些电子自旋方向，就是会受到这个磁场的影响，从而影响这个隐花色素蛋白质的活性，然后来帮助MagR感应这个磁场。提到的这些电子的自旋方向，这些就是跟量子力学有很大的关系。

刚刚说到这些实验成果，作为我们实验室磁感应课题组的第一篇文章，就发表在了自然杂志的子刊自然材料上。这个文章发表出来之后，也引起了我们这个学术圈很大的反响。我们这个生物指南针模型才刚刚迈出了第一步，所以我们也需要，后续包括我们实验室和整个对这个于模型感兴趣的实验室，来一起验证和完善这个假说。我们这个生物指南针模型还有很多问题都还有待我们的研究和探索。例如说光在这个磁感应中所起到的作用，包括隐花色素它是怎样帮助磁感应受体分子来进行磁感应的信号的接收和传递的？还有就是这个磁感应复合物接收了磁信号之后，是怎样传递到大脑中的，这些问题。还有，大家都最关心的就是磁感应受体MagR，它的磁性来源到底是什么？它到底是通过什么来感应磁场的？为什么它会存在这个磁性？然后它作为磁性的生物材料，它未来的应用前景都包括很多。例如说有没有像光遗传学那样，能够成为磁遗传学这么一个领域；在生物医学方面，能不能够做成磁场操控的药物载体，还有靶向治疗这些；还有像工程技术方面能不能做成磁性纳米机器人；还有磁性的生物传感器等等。磁感应受体的这些应用都还要经历很长的一个时间的探索，然后才可以真正实现它的这些应用价值。