새의 자기 감지 메커니즘의 획기적인 발견

인간은보고, 듣고, 맛보고, 냄새 맡고, 만지는 오감으로 주변 세계를 인식합니다. 다른 많은 동물들도 지구의 자기장을 감지 할 수 있습니다. 한동안 올덴 부르크 대학 (독일)과 옥스포드 (영국)의 생물 학자, 화학자 및 물리학 자들의 협력은 유럽의 로빈과 같은 철새의 자기 감각이 빛에 대한 특정 민감도에 의존한다는 증거를 수집 해 왔습니다. 눈의 단백질. 잡지 최신호에서 자연,이 팀은 새의 망막에서 발견되는 단백질 크립토 크롬 4가 자기장에 민감하며 오랫동안 기다려온 자기 센서가 될 수 있음을 보여줍니다.

올덴 부르크에있는 Henrik Moritzen 연구 그룹의 박사 과정 학생 인 제 1 저자 Jingjing Shu는 이러한 성공을 위해 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 야행성 철새 유럽 로빈에서 잠재적으로 자기에 민감한 크립토 크롬 4의 유전 암호를 추출한 후, 나는 처음으로 박테리아 세포 배양을 사용하여이 광활성 분자를 대량 생산할 수있었습니다. 그런 다음 Oxford의 Christian Temel과 Stuart Mackenzie 그룹은 광범위한 새로운 자기 공명 및 광학 분광기 기술을 사용하여 단백질을 연구하고 자기장에 대한 겉보기 감도를 입증했습니다.

팀은 또한 이러한 민감성이 발생하는 메커니즘을 해독했습니다. 또 다른 중요한 발전이었습니다. “블루 라이트가 활성화 된 후 분자 내부에서 이동할 수있는 전자는 중요한 역할을합니다.”라고 Moritzen은 설명합니다. 크립토 크롬과 같은 단백질은 아미노산 사슬로 구성되어 있습니다. 로빈 크립토 크롬 4에는 527 개의 아미노산이 들어 있습니다. 옥스포드 대학의 Peter Hoare와 물리학 자 Ilya Solov-Yof는 527 개 중 4 개 (트립토판으로 알려진)가 분자의 자기 특성에 필수적이라는 아이디어를 뒷받침하는 양자 역학적 계산을 수행했습니다. 그들의 계산에 따르면 전자는 트립토판에서 다음 트립토판으로 이동하여 소위 자기 적으로 민감한 라디칼 쌍을 생성합니다. 이를 실험적으로 입증하기 위해 Oldenburg의 팀은 약간 변형 된 크립토 크롬 로빈 버전을 생산했으며, 각 트립토판은 전자의 이동을 차단하기 위해 차례로 다른 아미노산으로 대체되었습니다.

이러한 변형 된 단백질을 사용하여 Oxford Chemistry 그룹은 계산에서 예상 한대로 전자가 크립토 크롬 내에서 이동하고 생성 된 라디칼 쌍이 관찰 된 자기장 효과를 설명하는 데 필수적이라는 것을 실험적으로 입증 할 수있었습니다.

Oldenburg 팀은 또한 암호 4 닭과 비둘기를 표현했습니다. 옥스포드에서 연구했을 때, 이동하지 않는이 종의 단백질은 이동성 로빈과 유사한 광화학을 보였지만, 자기 적으로 덜 민감 해 보입니다.

“우리는 이러한 결과가 철새의 시각 시스템 분자가 자기장에 민감하다는 것을 처음으로 보여주기 때문에 매우 중요하다고 생각합니다.”라고 Morrison은 말합니다. 그러나 그는 이것이 cryptochrome 4가 팀이 찾고있는 자기 센서라는 결정적인 증거가 아니라고 덧붙입니다. 모든 실험에서 연구원들은 실험실에서 분리 된 단백질을 조사했습니다. 사용 된 자기장은 또한 지구의 자기장보다 강했습니다. 모리 첸은 “그래서 이것이 새들의 눈에서 일어나는 일이 여전히 증명 되어야만합니다.”라고 강조합니다. 이러한 연구는 아직 기술적으로 가능하지 않습니다.

그러나 저자들은 문제의 단백질이 원래 환경에서 훨씬 더 민감 할 수 있다고 믿습니다. 망막 세포에서 단백질은 고정되고 정렬되어 자기장 방향에 대한 민감도를 증가시킵니다. 또한 감각 신호를 증폭 할 수있는 다른 단백질에도 결합 할 가능성이 있습니다. 팀은 현재 아직 알려지지 않은 상호 작용 파트너를 찾고 있습니다.

Hoare는 “크립토 크롬 4가 자기 센서임을 입증 할 수 있다면 동물을 환경 자극에 민감하게 만드는 근본적인 양자 메커니즘을 이전에 생각했던 것보다 수백만 배 더 약하게 만들 수 있습니다.”라고 말합니다.

참조 : “철새 철새의 크립토 크롬 4 자기 민감도”: 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. Solov-Yov, Kan Shi, Stuart R. Mackenzie, Christian R. Temel, Henrik Moritzyn 및 PJ Hoar, 2021 년 6 월 23 일, 여기에서 사용 가능. 자연.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03618-9

올덴 부르크와 옥스포드 간의 협력은 Quantum Birds라는 제목의 ERC (European Research Council)의 6 년 시너지 보조금으로 지원됩니다. 이 협력은 또한 독일 연구 재단 (DFG)이 자금을 지원하는 공동 연구 센터 인 “척추 동물의 자기 수신 및 탐색”(SFB 1372)의 핵심 부분이며, Ilya Solov-Yof는 VolkswagenStiftung이 자금을 지원하는 Lichtenberg의 교수입니다.