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北大被抢发论文教授发表论文:首次发现生物体内“指南针”

东方观察2019-02-10 14:22:43

数月之后,“清华北大学者论文被抢发”风波的当事人之一,北京大学生命科学学院研究员谢灿的重磅论文终获发表。

北京时间11月17日零时,国际顶级学术期刊《自然•材料》(Nature Materials)在线发表了标题为《一个磁性蛋白生物指南针》(A magnetic protein biocompass)的研究论文。该论文意味着,人类首次发现了动物体内的“生物指南针”。

谢灿是该论文的通讯作者(记者注:课题负责人),他告诉澎湃新闻,该研究发现了一个磁感应受体蛋白,即磁感应分子MagR,回答了“生物是如何感应到磁场的”这一问题,且至少在两个方面刷新了人们对磁感应的认识。

一位国际评审专家评论称,该研究成果极为重要,可能是几十年来磁感应研究领域最新颖的成果之一,该研究第一次回答了磁感应领域多个悬而未决的关键问题。

值得一提的是,该论文的通讯作者谢灿,正是在“清华北大学者论文被抢发”风波中与张生家发生纠纷的当事人之一。

4月份,清华大学正在引进的研究员张生家在一个合作项目中,从谢灿实验室获得了MagR等关键实验材料。根据合作协议,谢灿要求张生家“不能在谢灿已投稿《自然》的论文发表前,抢发合作论文;合作论文须给谢灿署名”。此时,谢灿的关于MagR的研究论文已经投稿到国际顶级学术期刊《自然》(Nature),正在审稿中。谢灿称,由于担心该论文审稿受到影响,也担心该MagR的发现权被抢夺,才提出了前述合作协议。

8月4日,谢灿将已投稿的论文转投《自然》子刊——《自然•材料》。

9月9日,虽然遭到谢灿等人的极力反对,张生家将合作论文投稿到《科学通报》(英文版),并在5天后被正式在线发表。谢灿未获得署名,张生家声称,谢灿先破坏了双方的另外三个协议。

刷新误解一:感磁的是MagR而非CRY蛋白

地球的磁场很微弱,但无数的生物,从鲸鱼、海龟、龙虾,到候鸟、蝙蝠和蚂蚁,包括人类,都依赖地球磁场进行导航。

磁感应,即感受到磁场的存在。长期以来,动物的磁感应能力令科学家着迷。候鸟长途迁徙,信鸽远距离归巢,精确得像是揣着个指南针。在帝王蝶、龙虾和海龟身上,人们也观察到类似的地磁导航现象,但一直不清楚其原理。

人类可以使用指南针工具进行导航,那其他生物用来导航的“指南针”是什么呢?

谢灿研究团队发现了一个“生物指南针”。

11月16日,谢灿告诉澎湃新闻,自己的团队发现了一个磁感应受体蛋白,即磁感应分子MagR。

论文显示,MagR形成的复合物是一个短棒,由蛋白质组成,尺寸小到分子尺度,但它仍然像是一个真正的磁铁,能够顺着地球磁场的方向排列,能够吸铁,能随着磁场的变化而转动。

谢灿认为,这一发现回答了“生物是如何感应到磁场的”这一问题,且至少在两个方面刷新了人们对磁感应的认识。

1995年,植物的感光蛋白CRY(cryptochrome,隐花色素)被发现。它被认为也能够感磁,是人类发现的第一个磁感应分子。当果蝇体内的该基因被破坏后,果蝇就不再能够感应磁场。信鸽等鸟类的眼睛的视网膜中也存在CRY蛋白,它被认为是鸟类的“指南针”。

但谢灿带领的研究团队发现,人们被骗了,CRY蛋白只能感光,不能感磁,而之所以表现出感磁的特性,是因为结合了MagR。

谢灿等人筛选了果蝇的12536个基因,发现了唯一一个磁感应分子——MagR。在信鸽眼睛的视网膜中,MagR与CRY在同一位置出现,也就是说,它们共定位。它们似乎相互配合,形成一个分子机器。

在体外实验中,研究人员发现,MagR与CRY在溶液中会自发地结合在一起,形成一个短棒,MagR位于轴心,CRY包裹在外侧。MagR也可以单独形成一个短棒。

更令人惊讶的是,这样短棒像是一个真正磁铁,它会吸在铁珠上,也能像一个真正的指南针一样,随着外界磁场的变化而转动。

人们此前的研究发现,鸟类的磁感应能力依赖光照,在只有红光存在的情况下,部分鸟类的磁感应能力大大减弱,在蓝绿光存在时,其磁感应能力较为准确。

谢灿研究团队认为,MagR与CRY形成的分子机器使光磁偶联,它既能感光,又能感磁。在阳光或月光等光线存在时,信鸽利用其视网膜细胞的这一分子机器捕捉到地球磁场信息,并转化成电信号,这一电信号被神经细胞传递到信鸽大脑中,然后信鸽作出决策,决定飞向哪里。

由于MagR可以单独形成短棒状结构,研究人员认为,一些生物可以在没有光存在的情况下,通过地球磁场导航。

谢灿特别强调,这只是动物磁感应的“生物指南针”模型,其具体过程有待进一步研究和证实。刚刚发表的研究成果,仅仅解决了“信鸽是如何感应到磁场”这一问题。

刷新误解二:生物磁性基于铁原子而非四氧化三铁

美国科学家1978年还提出CRY蛋白的“自由基对理论”,认为该蛋白感光后,产生自由基对,从而产生内部磁场,目前没有新的实验证据支持这一理论模型。

此外,还有研究认为,磁铁矿——四氧化三铁(Fe3O4)可能是生物磁性产生的原因,而且有科学家在鸟喙中发现了含铁的磁小体。但随后鸟喙中的铁被证明来自于巨噬细胞,而非神经细胞,难以转化和传递地磁信号,该理论模型一直遭到质疑。

但谢灿等人的研究则认为,生物磁性基于铁原子,而非四氧化三铁。

MagR在包括人类在内的多种生物体内都存在,它属于铁硫簇结合蛋白,结合有铁原子。MagR短棒中的铁原子形成多个“铁环”,“铁环”中可能存在电流,这可能是MagR复合物具有生物磁性的原因。

北京时间17日凌晨,国际顶级学术期刊《自然》(Nature)对谢灿等人完成的这一科研成果进行了关注。

谢灿告诉《自然》记者,早在2015年4月份,就MagR蛋白的诸多应用,包括磁遗传学应用,他已经申请了专利。接下来,谢灿将研究人类体内不同的MagR突变体,以揭开它们与不同人群方向感强弱有别之间的关系。

磁生物学领域的国际知名专家、牛津大学生物化学家皮特•豪(Peter Hore)向《自然》记者称,这是一篇非同寻常的论文。

但也有一些不同的声音,由于该研究没能揭示出MagR复合物感应磁场的细节机制,德国慕尼黑大学的地磁学家迈克尔•温克范(Michael Winklhofer)认为,谢灿的发现可能只是实验被污染才得到的结果,自己将通过实验来跟进谢灿的发现。如果最终被证实是真的,那这个发现真的是揭开磁感应分子机制上的一个巨大进步。