Naturally cysteine-less LOV domains from halophilic archaea exhibit magnetic field effects on their fluorescence

Der unsichtbare Handschlag: Wie winzige Spins das Magnetfeld fühlen

Stellen Sie sich vor, Ihr Körper sei eine geschäftige Stadt, und in jeder Zelle arbeiten winzige Arbeiter namens Proteine. Die meisten dieser Arbeiter sind wie fleißige Bau crews, die Dinge aufbauen oder abbauen, basierend auf chemischen Signalen. Aber eine ganz besondere, seltene Gruppe von Arbeitern besitzt eine geheime Superkraft: Sie können das Magnetfeld der Erde spüren, genau wie ein Vogel, der während des Zuges navigiert. Das ist keine Magie; es ist ein Stück Quantenphysik, die sich in der Biologie abspielt.

Um zu verstehen, wie das funktioniert, stellen Sie sich ein Elektron nicht nur als ein winziges Teilchen vor, sondern als einen kreiselnden Kreisel. Wenn zwei dieser Kreisel gemeinsam erzeugt werden, sind sie „verschränkt“, was bedeutet, dass ihre Spins perfekt synchronisiert sind, wie ein Paar Tänzer, die Händchen halten. Dieses Paar wird als Radikalpaar bezeichnet. Normalerweise tanzen sie in einem bestimmten Rhythmus. Wenn Sie jedoch einen Magneten in die Nähe bringen, wirkt dieser wie ein Dirigent, der den Taktstock schwingt und den Rhythmus ihres Tanzes leicht verändert. Diese winzige Änderung ihres Spins kann tatsächlich die chemische Reaktion, an der sie beteiligt sind, verändern, wodurch ein Magnetfeld effektiv in ein biologisches Signal umgewandelt wird. Wissenschaftler vermuten schon lange, dass einige Proteine diesen „Radikalpaar-Mechanismus“ nutzen, um Magnete zu spüren, aber sie fanden ihn hauptsächlich in künstlich im Labor erschaffenen Konstrukten oder speziellen Proteinen wie Kryptochromen. Die große Frage war: Ist dies ein seltener Trick, der auf wenige Spezialfälle beschränkt ist, oder ein weit verbreitetes Merkmal, das in der Natur direkt vor unseren Augen verborgen liegt?

Die Entdeckung: Die eigene Magnet-Sensoren der Natur

In dieser Studie entschied sich ein Forscher namens Brian L. Ross, nach diesen Magnetsensoren an einem sehr unerwarteten Ort zu suchen: in der natürlichen Welt, speziell in Proteinen, die nie von Menschenhand verändert wurden. Das Team konzentrierte sich auf eine Familie von Proteinen namens LOV-Domänen. Man kann eine Standard-LOV-Domäne als lichtempfindlichen Schalter betrachten. Normalerweise, wenn blaues Licht darauf trifft, greift ein spezifischer Teil des Proteins (ein Cystein) nach einem lichtabsorbierenden Molekül (Flavin), um den Schalter umzulegen. Die Natur besitzt jedoch einige Versionen dieser Schalter, die „cysteinlos“ sind – ihnen fehlt diese greifende Hand. Ohne sie bilden sie nicht die übliche Bindung; stattdessen erzeugen sie eine andere Art von Zustand, ein neutrales Semichinon-Radikal.

Das Team stellte die Hypothese auf, dass diese natürlichen, cysteinlosen Versionen, da sie diesen Radikalzustand erzeugen, genauso empfindlich für Magnetfelder sein könnten wie die berühmten, vom Menschen entwickelten „MagLOV“-Proteine. Um dies zu testen, nahmen sie drei natürlich vorkommende, cysteinlose LOV-Domänen aus verschiedenen Mikroben: zwei aus salzliebenden Archaeen (HsuLOV und BAT-LOV) und eine aus magnetotaktischen Bakterien (amb2291). Sie schleusten die Gene für diese Proteine in E. coli-Bakterien ein und züchteten sie auf Platten. Dann verwendeten sie eine eigens konstruierte Maschine, um blaues Licht auf die Bakterien zu strahlen, während sie ein starkes Magnetfeld (100 mT) an- und ausschalteten, um zu beobachten, ob sich das Leuchten (Fluoreszenz) der Bakterien als Reaktion auf den Magneten veränderte.

Die Ergebnisse: Eine leuchtende Reaktion

Das Experiment offenbarte sowohl aufregende als auch stille Ergebnisse. Das Protein HsuLOV, das in einem halophilen (salzliebenden) Archaeon gefunden wurde, zeigte eine klare Reaktion. Wenn das Magnetfeld eingeschaltet wurde, wurde die Fluoreszenz der Bakterien leicht schwächer, und wenn das Feld ausgeschaltet wurde, leuchtete sie wieder heller auf. Dies ist ein Phänomen, das man Magneto-Fluoreszenz nennt. Ähnlich verhielt es sich bei einer mutierten Version des zweiten archaealen Proteins, BAT-LOV W172F, das ebenfalls eine deutliche Abschwächung zeigte, wenn der Magnet aktiv war.

Doch die Geschichte war nicht für alle gleich. Das dritte Protein, amb2291 aus den magnetotaktischen Bakterien, zeigte unter den spezifischen Lichtbedingungen des Teams keine nachweisbare Veränderung seines Leuchtens. Auch die Wildtyp-Version (die normale Version) von BAT-LOV zeigte nur eine sehr schwache, fast unsichtbare Reaktion.

Das Team berechnete die exakte Änderung der Helligkeit für die erfolgreichen Proteine. Für HsuLOV verursachte das Magnetfeld eine Abnahme der Fluoreszenz von etwa -0,409 %. Die BAT-LOV W172F-Mutante zeigte einen nahezu identischen Abfall von -0,409 %. Diese Zahlen mögen klein klingen, aber in der Welt der Quantenbiologie sind sie ein lautes Signal.

Was das bedeutet

Diese Studie legt nahe, dass die Fähigkeit, Magnetfelder über den Radikalpaar-Mechanismus wahrzunehmen, nicht nur eine Eigenart menschengemachter Proteine ist; es scheint ein natürliches Merkmal zu sein, das in der freien Natur vorkommt. Soweit das Wissen der Forscher reicht, ist dies das erste Mal, dass magnetosensitive Proteine in Archaeen identifiziert wurden, einem großen Lebensbereich, der deutlich von Bakterien und Menschen unterscheidbar ist.

Die Forscher weisen vorsichtig darauf hin, dass nur weil das dritte Protein (amb2291) in ihrem spezifischen Versuchsaufbau nicht unterschiedlich leuchtete, das nicht bedeutet, dass es nicht Magnetfelder spüren kann. Die Fähigkeit, diesen Effekt zu sehen, hängt stark davon ab, wie schnell die chemischen Reaktionen im Vergleich zur Helligkeit des Lichts ablaufen. Wenn das Licht zu schwach oder die Reaktionen zu schnell sind, wird der magnetische Effekt überlagert. Daher können sie zwar beweisen, dass HsuLOV und die BAT-LOV-Mutante magnetosensitiv sind, sie können jedoch nicht ausschließen, dass amb2291 unter anderen Bedingungen ebenfalls empfindlich reagieren könnte.

Letztendlich legt diese Arbeit nahe, dass die Natur bereits magnetische Sensoren in ihr Werkzeugset integriert hat, speziell in diesen cysteinlosen LOV-Domänen. Dies öffnet die Tür zu der Idee, dass diese uralten Proteine Magnetfelder nutzen könnten, um ihr Verhalten zu steuern, und gibt Wissenschaftlern einen neuen Ausgangspunkt, um in Zukunft noch bessere, magnetisch gesteuerte Werkzeuge zu bauen.