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

无形的握手：微小的自旋如何感知磁场

想象你的身体是一座繁忙的城市，在每一个细胞内部，都有被称为“蛋白质”的微小工人。这些工人大多像是勤勉的建筑队，根据化学信号进行建造或拆解。然而，有一群非常特殊且罕见的工人拥有一种秘密超能力：它们能像在迁徙过程中导航的鸟类一样，感知地球的磁场。这并非魔法，而是生物学中量子物理学的体现。

要理解其运作原理，可以将电子想象成不仅仅是一个微小的粒子，而是一个旋转的陀螺。当两个这样的陀螺同时产生时，它们是“纠缠”在一起的，这意味着它们的自旋是完美同步的，就像一对手牵手的舞伴。这对组合被称为自由基对（radical pair）。通常，它们按照特定的节奏起舞。然而，如果你将一块磁铁靠近，它就像一位挥动指挥棒的指挥家，稍微改变了它们舞蹈的节奏。这种自旋的微小变化实际上可以改变它们所参与的化学反应，从而有效地将磁场转化为一种生物信号。科学家长期以来一直怀疑，某些蛋白质利用这种“自由基对机制”来感知磁场，但他们主要是在人工设计的实验室产物或特定的蛋白质（如隐花色素）中发现这一现象。当时的大问题是：这是一种仅限于少数特殊案例的罕见技巧，还是隐藏在自然界中、就在眼前的普遍特征？

发现：大自然自带的磁传感器

在这项研究中，研究员布莱恩·L·罗斯（Brian L. Ross）决定在一个非常出人意料的地方寻找这些磁传感器：即未经过人类改造的自然界。团队将目光锁定在一类被称为 LOV 结构域 的蛋白质家族上。你可以将标准的 LOV 结构域想象成一个感光开关。通常，当蓝光照射到它时，蛋白质的一个特定部分（半胱氨酸）会抓住一个吸光分子（黄素），从而拨动开关。然而，自然界中有几种版本的这类开关是“无半胱氨酸”的——它们缺少了那只“抓取的手”。由于缺少这个部件，它们不会形成通常的化学键；相反，它们会创造出一种不同的状态，称为中性半醌自由基。

团队假设，由于这些天然的、无半胱氨酸的版本会产生这种自由基状态，它们可能与著名的、由人类工程化的“MagLOV”蛋白质一样对磁场敏感。为了测试这一点，他们从不同微生物中提取了三种天然存在的无半胱氨酸 LOV 结构域：两种来自嗜盐古菌（HsuLOV 和 BAT-LOV）以及一种来自磁性细菌（amb2291）。他们将这些蛋白质的基因植入大肠杆菌中并进行培养。随后，他们使用一台定制的机器，在切换强磁场（100 mT）的同时向细菌照射蓝光，观察细菌的发光（荧光）是否会对磁场做出反应。

结果：闪烁的响应

实验揭示了一些令人兴奋以及一些平淡的结果。发现于嗜盐古菌中的蛋白质 HsuLOV 展示了清晰的反应。当磁场开启时，细菌的荧光略微变暗，当磁场关闭时，亮度又恢复。这种现象被称为磁致荧光（magneto-fluorescence）。同样，第二种古菌蛋白质的突变版本 BAT-LOV W172F 也表现出了明显的变暗效应。

然而，并非所有情况都如此。来自磁性细菌的第三种蛋白质 amb2291 在团队特定的光照条件下没有显示出可检测到的亮度变化。BAT-LOV 的野生型（正常版本）也仅表现出极其微弱、几乎不可察觉的反应。

团队计算了成功蛋白质亮度的精确变化量。对于 HsuLOV，磁场导致荧光下降了约 -0.409%。BAT-LOV W172F 突变体的下降幅度也几乎完全相同，为 -0.409%。这些数字听起来可能很小，但在量子生物学领域，它们是一个响亮的信号。

这意味着什么

这项研究表明，通过自由基对机制感知磁场的能力不仅仅是人类工程化蛋白质的一个奇特之处；它似乎是自然界中存在的一种天然特性。据研究人员所知，这是首次在古菌（生命中区别于细菌和人类的一个主要域）中识别出具有磁敏感性的蛋白质。

研究人员谨慎地指出，仅仅因为第三种蛋白质（amb2291）在他们的特定实验设置下没有表现出亮度变化，并不意味着它不能感知磁场。观察到这种效应的能力在很大程度上取决于化学反应的速度与光照强度之间的关系。如果光线太暗或反应太快，磁效应就会被冲淡。因此，虽然他们证明了 HsuLOV 和 BAT-LOV 突变体具有磁敏感性，但他们不能排除 amb2291 在不同条件下也可能具有敏感性的可能性。

最终，这篇论文表明，大自然已经在其工具箱中内置了磁传感器，特别是在这些无半胱氨酸的 LOV 结构域中。这为这样一个观点打开了大门：这些古老的蛋白质可能会利用磁场来引导其行为，同时也为科学家提供了一个新的起点，用以构建未来更强大的、受磁控的工具。