Odkrycie przełomu w mechanizmie wykrywania magnetycznego u ptaków

Ludzie postrzegają otaczający ich świat za pomocą pięciu zmysłów – wzroku, słuchu, smaku, węchu i dotyku. Wiele innych zwierząt również jest w stanie wyczuć pole magnetyczne Ziemi. Od pewnego czasu współpraca biologów, chemików i fizyków z uniwersytetów w Oldenburgu (Niemcy) i Oksfordzie (Wielka Brytania) zbiera dowody na to, że odczucie magnetyczne ptaków wędrownych, takich jak rudziki, zależy od szczególnej wrażliwości na światło. białko w oku. W bieżącym numerze magazynu Natura, zespół ten pokazuje, że białko kryptochrom 4, znajdujące się w siatkówce ptaków, jest wrażliwe na pola magnetyczne i może być długo oczekiwanym czujnikiem magnetycznym.

Pierwszy autor Jingjing Shu, doktorant w Henrik Moritzen Research Group w Oldenburgu, zrobił decydujący krok w kierunku tego sukcesu. Po wyodrębnieniu kodu genetycznego potencjalnie wrażliwego na pole magnetyczne kryptochromu 4 u nocnych wędrownych europejskich rudzików, po raz pierwszy udało mi się masowo wyprodukować tę fotoaktywną cząsteczkę przy użyciu kultur komórek bakteryjnych. Następnie grupy Christiana Temela i Stuarta Mackenzie z Oksfordu wykorzystały szeroką gamę nowych technik rezonansu magnetycznego i spektroskopii optycznej, aby zbadać białko i zademonstrować jego widoczną wrażliwość na pola magnetyczne.

Zespół rozszyfrował również mechanizm powstawania tej wrażliwości — kolejny ważny postęp. „Ważną rolę odgrywają elektrony, które mogą poruszać się wewnątrz cząsteczki po aktywacji niebieskiego światła”, wyjaśnia Moritzen. Białka takie jak kryptochrom składają się z łańcuchów aminokwasów: kryptochrom 4 robin zawiera ich 527. Peter Hoare i fizyk Ilya Solov-Yof z Uniwersytetu Oksfordzkiego przeprowadzili obliczenia mechaniki kwantowej, które potwierdzają tezę, że cztery z 527 – znane jako tryptofan – są niezbędne dla właściwości magnetycznych cząsteczki. Według ich obliczeń elektrony przeskakują z tryptofanu do następnego tryptofanu, aby wygenerować tak zwane magnetycznie wrażliwe pary rodników. Aby to zademonstrować eksperymentalnie, zespół Oldenburga wyprodukował nieco zmodyfikowane wersje kryptochromu robin, w których każdy tryptofan został z kolei zastąpiony innym aminokwasem, aby zablokować ruch elektronów.

Wykorzystując te zmodyfikowane białka, grupy Oxford Chemistry były w stanie eksperymentalnie wykazać, że elektrony poruszają się w obrębie kryptochromu zgodnie z oczekiwaniami w obliczeniach – oraz że wygenerowane pary rodników są niezbędne do wyjaśnienia obserwowanych efektów pola magnetycznego.

Zespół Oldenburg zaszyfrował także 4 kurczaki i gołębie. Podczas badań w Oksfordzie białka tego gatunku, które nie migrują, wykazywały podobną fotochemię jak wędrowny rudzik, ale wydają się znacznie mniej wrażliwe magnetycznie.

„Uważamy, że te wyniki są bardzo ważne, ponieważ po raz pierwszy pokazują, że cząsteczka układu wzrokowego ptaka wędrownego jest wrażliwa na pola magnetyczne” – mówi Morrison. Dodaje jednak, że nie jest to przekonujący dowód na to, że kryptochrom 4 jest czujnikiem magnetycznym, którego szuka zespół. We wszystkich eksperymentach naukowcy badali wyizolowane białka w laboratorium. Zastosowane pola magnetyczne były również silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi. „Więc trzeba jeszcze udowodnić, że dzieje się to w oczach ptaków” – podkreśla Moritzen. Takie badania nie są jeszcze technicznie wykonalne.

Jednak autorzy uważają, że omawiane białka mogą być znacznie bardziej wrażliwe w swoim naturalnym środowisku. W komórkach siatkówki białka prawdopodobnie zostaną utrwalone i wyrównane, zwiększając ich wrażliwość na kierunek pola magnetycznego. Co więcej, prawdopodobnie wiąże się również z innymi białkami, które mogą wzmacniać sygnały czuciowe. Zespół poszukuje obecnie nieznanych partnerów do interakcji.

„Jeżeli będziemy w stanie wykazać, że kryptochrom 4 jest czujnikiem magnetycznym, zademonstrujemy fundamentalny mechanizm kwantowy, który sprawia, że ​​zwierzęta są milion razy słabsze, niż wcześniej sądzono, na bodźce środowiskowe” – mówi Hoare.

Odniesienie: „Cryptochrome 4 Magnetic Sensitivity from a Migratory Migratory Bird” Jingjing Xu, Lauren E. Jarrocha, Tilo Zolic, Marcin Konwalczyk, Kevin B Hinbest, Sabine Reichert, Matthew J. Golesworthy, Jessica Schmidt, Victoire Degen, Daniel J. C. Sood, Marco Passito, Jate Law, Jessica R Walton, Jessica Fleming, Eugene Wei, Tommy L. Beecher, Gabriel Moyes, Mike Hermann, Hang Yen, Hygeia Wu, Rabih Bartulke, Stephanie J. Casihagen, Simon Hurst, Glenn Duttag, Patrick Morton, Angela S. Jerkins, Yugarani, Chilia, Joseph S.; Takahashi, Carl Wilhelm Koch, Stefan Weber, Ilia A. Sołow-Jow, Kan Shi, Stuart R. Mackenzie, Christian R. Temel, Henrik Moritzyn i PJ Hoar, 23 czerwca 2021 r., Dostępne tutaj. Natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03618-9

Współpraca pomiędzy Oldenburgiem i Oksfordem jest finansowana z 6-letniego grantu synergicznego Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) zatytułowanego Quantum Birds. Współpraca jest również kluczowym elementem współpracy centrum badawczego „Odbiór magnetyczny i nawigacja w kręgowcach” (SFB 1372) finansowanego przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG), a Ilya Solov-Yof jest profesorem w Lichtenberg finansowanym przez VolkswagenStiftung.