在生物进化的过程中，迁徙中的鸟类如何依靠 “导航罗盘” 跨越半个地球找到回家的路，曾被 Science 杂志列为尚未解决的重点前沿科学之一。
近日，由牛津大学化学系物理与理论化学实验室教授彼得・霍尔（Peter Hore）、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员谢灿等担任共同通讯作者，奥尔登堡大学神经感觉科研中心博士生许静静担任第一作者的论文表明，生活在欧洲地区、习惯于夜间迁徙的知更鸟视网膜中所含隐花色素蛋白（Cryptochrome 4，CRY4）具有磁性灵敏度，该论文在 Nature 上发表，并登上杂志封面。
图 | 当期杂志封面（来源：Nature）
论文标题为《来自迁徙鸣禽隐色花色素蛋白的磁性灵敏度》（Magnetic sensitivity of CRYptochrome 4 from a migratory songbird）。
图 | 相关论文（来源：Nature）
人们一直以为，磁感应或磁反应器官方式是大部分动物的定位和导航系统，动物通常依靠这种方式找到迁徙目的地。动物所具备的磁性敏感性与地磁场有很大的关系，该团队发表的论文揭开了 “磁反应敏感性机制” 的神秘面纱。
而且，许静静对知更鸟视网膜中的遗传密码进行了研究，她首次利用细菌细胞培养出大量的光活性分子。
与以往理论研究相比，这次由中国科学院合肥物质科学研究院、牛津大学和德国奥登堡大学等三方国际实验室组成的研究团队，对知更鸟的 CRY4 进行高精度光谱测试和计算生物学模拟，完成了理论与试验交互，为进一步深入研究知更鸟 “导航罗盘” 定位奠定了坚实的基础。
光谱学和质谱实验对 “导航罗盘” 的研究至关重要为了探究这种隐花色素蛋白的光化学和磁性性质，该研究团队重组并纯化了野生型知更鸟的 CRY4，它是一种能与腺嘌呤二核苷酸（Flavin Adenine Dinucleotide，FAD）结合的黄色蛋白。受蓝光激发后发生还原反应，可依次夺取其附近色氨酸（Trp）电子，从而形成具有磁敏性的自由基对 [FAD・- TrpH・ ]。FAD 是形成自由基对所必须的成分，对 “导航罗盘” 的研究至关重要。
图｜欧洲知更鸟 CRY4 的纯化过程（来源：Nature）
该研究进一步分析表明，CRY4 包含一条由四个色氨酸残基组成的链，这条链可以从 FAD 延伸到蛋白质表面。为了确定这些残基在自由基对产生中的作用，该研究团队还制备了 CRY4 位点特异性突变体，并将每个色氨酸替换为氧化还原不活跃的苯丙氨酸 W395F、W372F、 W318F 和 W369F。
他们将这四个残基分别称为 TrpX (X = A, B, C 或 D)，将相应的突变体称为 WXF，将所有突变的 CRY4 形式都与 FAD 结合。
该研究团队还开发并完善了几种磁场对隐花色素影响的光谱技术。其中，腔衰荡光谱法（Cavity Ring Down Spectroscopy ,CRDS）和宽带腔增强吸收光谱法都可以利用多光子晶体实现巨大的光程长度。
野生型知更鸟 CRY4 突变体的连续蓝光照射可以使 FAD 还原为中性半醌自由基，这证明了分子内存在电子转移途径且 FAD 具有稳定性，质子化在两种蛋白质中形成 FADH 的时间尺度超出了瞬时吸收测量的范围，说明野生型知更鸟的 CRY4 更容易光还原。
隐花色素与 FAD 合并的表达是该研究项目的关键一步。谢灿向媒体表示，该课题始于 2016 年，这篇论文仅是各实验室合作以来第一个阶段性成果。
比鸡和鸽子的 CRY4 磁场效应强 10 到 20 倍谢灿表示，CRY4 蛋白试样的寄送举步维艰。其实，早在 2016 年 9 月，他将纯化了信鸽的蛋白复合物寄送到牛津大学实验室，然而国际运输方式并不可行。
图丨谢灿（来源：中国科学院合肥物理科学研究院）
第一，CRY4 样品对温度极其敏感，很容易失去活性。将蛋白质样品通过长途国际运输到牛津大学实验室，需要将蛋白质样品先冷冻再解冻。由于 CRY4 样品对温度极其敏感，在解冻的过程中会丧失活性。
第二，在 5 年前，CRY4 样品如何保鲜很难解决。2016 年，许静静正在申请奥尔登堡大学教授莫里特森（Henrik Mouritsen）实验室的访问学者。于是，在莫里特森的建议下，许静静先加入谢灿实验室，经过 2 个多月的快速学习，许静静正式进入莫里特森实验室。许静静回到莫里特森之后，把学到地制备理论运到实践中，将 CRY4 样品的纯化完整地复制出来。
当许静静完成隐花色素蛋白样品地制备之后，莫里特森实验室与谢灿实验室达成了长期合作。为了取得进一步研究成果，许静静经常上午在德国完成蛋白质制备，下午乘飞机到达牛津大学与另一个实验室团队进行讨论，就这样坚持了两年多。
该论文实验结果显示，在有磁场的情况下，CRY4 中的自由基对产量会产生磁场效应，并且欧洲知更鸟的 CRY4 白比鸡和鸽子的 CRY4 磁场效应强 10 到 20 倍。
图｜知更鸟（来源：Pixabay）
因此，该研究团队大胆猜测，或许地球正是通过这种机制优化了 CRY4 的自由基光化学反应，让迁徙鸣禽在跨越半球之后还能不迷失方向。
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