ΑΡΧΑΙΑ ΙΘΩΜΗ

Αναμφισβήτητα το μεγαλύτερο μυστήριο της αισθητηριακής βιολογίας είναι η μαγνητοαποδοχή – πώς τα ζώα αντιλαμβάνονται το μαγνητικό πεδίο της Γης και το χρησιμοποιούν ως πυξίδα για να καθορίσουν τον χωρικό τους προσανατολισμό.

Τα ζώα ποικίλλουν όπως τα πουλιά, οι θαλάσσιες χελώνες, τα ψάρια, τα καρκινοειδή και τα έντομα εξαρτώνται από αυτό το πεδίο τόσο για πλοήγηση μικρής όσο και μεγάλης εμβέλειας ¹ .

Η ταυτότητα του βιολογικού ιστού που είναι υπεύθυνος για την ανίχνευση της κατεύθυνσης του πεδίου και ο αισθητήριος μηχανισμός που υποστηρίζει αυτόν τον τύπο πλοήγησης, παρέμειναν ένα αίνιγμα.

Στα αποδημητικά πτηνά, οι κύριοι διεκδικητές είναι μαγνητικά ευαίσθητες πρωτεΐνες που ονομάζονται κρυπτοχρώματα, οι οποίες βρίσκονται στον αμφιβληστροειδή ² .

Ωστόσο, λείπουν αποδείξεις ότι αυτές οι πρωτεΐνες διαθέτουν πραγματικά τη μαγνητική ευαισθησία και τις φυσικές ιδιότητες που απαιτούνται για την ανίχνευση του εξαιρετικά αδύναμου μαγνητικού πεδίου της Γης.Γράψιμο στο Nature , Xu et al. ³ παρέχετε αυτήν την απόδειξη in vitro , φέρνοντάς μας εντυπωσιακά κοντά στην επίλυση του μυστηρίου της μαγνητοαντίληψης.

Διαβάστε το άρθρο: Μαγνητική ευαισθησία του cryptochrome 4 από ένα μεταναστευτικό τραγούδι

Υπάρχουν επί του παρόντος δύο βασικές υποθέσεις για το πώς τα ζώα αισθάνονται το μαγνητικό πεδίο ^{1 , 4} της Γης (καθώς και ορισμένες εναλλακτικές υποθέσεις που προβάλλονται τα τελευταία χρόνια ^{5 , 6} ). Κάποιος προτείνει ότι, καθώς ένα ζώο αλλάζει κατεύθυνση, κρύσταλλοι του σύνθετου μαγνητίτη οξειδωμένου σιδήρου (Fe ₃ O ₄ ), που βρίσκονται στο σώμα του και ευθυγραμμίζονται με το πεδίο, ασκούν μια περιστροφική δύναμη – που ονομάζεται ροπή – σε μηχανικούς υποδοχείς με τους οποίους βρίσκονται. φυσική επαφή.

Αυτό μπορεί έτσι να σηματοδοτήσει αλλαγές στην ευθυγράμμιση του σώματος μέσω του ανοίγματος και του κλεισίματος των καναλιών ιόντων του μηχανικού υποδοχέα.

Η άλλη κύρια υπόθεση (Εικ. 1) προτείνει ότι, όταν οι κρυπτοχρωμικές πρωτεΐνες απορροφούν φωτόνια φωτός και γίνονται «φωτοεγγραφόμενα», σχηματίζουν μαγνητικά ευαίσθητα χημικά ενδιάμεσα γνωστά ως ριζικά ζεύγη.

Παραλλαγές στην απόδοση του προϊόντος αντίδρασης (η μορφή του κρυπτοχρώματος που περιέχει ένα ριζικό μόριο που ονομάζεται FADH ^• ) πιστεύεται ότι σηματοδοτούν την κατεύθυνση του ζώου σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο της Γης ^{7 , 8} .

Αυτοί οι δύο προτεινόμενοι μηχανισμοί δεν αλληλοαποκλείονται ⁶– πράγματι, τα αποδημητικά πτηνά μπορεί να διαθέτουν και τα δύο, χρησιμοποιώντας μαγνητίτη για την έννοια του «μαγνητικού χάρτη» (την ικανότητα να ανιχνεύουν μαγνητικά χαρακτηριστικά που σχετίζονται με μια δεδομένη τοποθεσία στην επιφάνεια της Γης) και τα κρυπτοχρώματα για την αίσθηση μαγνητικής πυξίδας να ανιχνεύει την κατεύθυνση του σε σχέση με το μαγνητικό βορρά) ^{1 , 2} .

Τα κρυπτοχρώματα βρίσκονται τόσο στα ζώα όσο και στα φυτά και είναι ένας τύπος πρωτεΐνης γνωστής ως φλαβοπρωτεΐνη.

Τα κρυπτοχρώματα συνδέονται μη ομοιοπολικώς με ένα μόριο που ονομάζεται χρωμοφόρο, όπως το FAD, το οποίο απορροφά φωτόνια μπλε φωτός όταν βρίσκεται σε πλήρως οξειδωμένη κατάσταση.

Στα ζώα, οι κρυπτοχρωμικές πρωτεΐνες που ονομάζονται CRY1 και CRY2 εμπλέκονται στη ρύθμιση των ημερήσιων (κιρκαδικών) ρυθμών ⁹ , και τα επίπεδα έκφρασής τους στον ιστό συνήθως κυκλώνονται κατά τη διάρκεια 24 ωρών.

Αντίθετα, το κρυπτοχρωματικό CRY4 στερείται τέτοιων ενδείξεων κυκλικής ποδηλασίας, γεγονός που υποδηλώνει ότι έχει διαφορετικό βιολογικό ρόλο, πιθανώς εκείνο της μαγνητοαποδοχής ^{10 , 11}. Το CRY4 βρίσκεται μόνο σε πουλιά, ψάρια και αμφίβια, τα οποία είναι είδη ζώων με καλά τεκμηριωμένες μαγνητικά καθοδηγούμενες συμπεριφορές.

Ως εκ τούτου, το CRY4 έχει αναδειχθεί ως ο κορυφαίος υποψήφιος για την ενεργοποίηση της μαγνητοαντίληψης που βασίζεται σε κρυπτοχρωμία σε σπονδυλωτά.

Προηγούμενη ανάλυση ¹⁰ κοτόπουλων ( Gallus gallus ) και μεταναστευτικών ευρωπαϊκών robins ( Erithacus rubecula ) υποδεικνύει ότι το CRY4 βρίσκεται στα εξωτερικά τμήματα δύο τύπων κυττάρων φωτοϋποδοχέα στον αμφιβληστροειδή – διπλοί κώνοι και μεμονωμένοι κώνοι μεγάλου μήκους κύματος.

Πρόκειται για μια ιδανική τοποθεσία για τη λήψη του φωτός που θα διεγείρει τα κρυπτοχρώματα και, ως εκ τούτου, θα βοηθήσει τη μαγνητική αίσθηση.

Περαιτέρω στοιχεία σύμφωνα με έναν πιθανό ρόλο για το CRY4 στη μαγνητική αντίληψη είναι ότι το επίπεδο έκφρασής του στον αμφιβληστροειδή χιτώνα αυξάνεται καθώς πλησιάζει η μεταναστευτική περίοδος, ενώ το επίπεδό του παραμένει μόνιμα χαμηλό σε μη μεταναστευτικά κοτόπουλα ¹⁰ .

Η μετανάστευση ενός πουλιού αποκωδικοποιήθηκε

Η σημαντική πρόοδος του Xu και των συναδέλφων είναι η απόδειξη ότι η έκδοση του CRY4 (που ονομάζεται Er CRY4) στο μεταναστευτικό ευρωπαϊκό robin έχει μια κρίσιμη ιδιότητα που απαιτείται για να ανιχνεύσει το μαγνητικό πεδίο της Γης: την ικανότητα σχηματισμού ριζικών ζευγών που έχουν υψηλή μαγνητική ευαισθησία.

Τα ριζικά ζεύγη προκύπτουν όταν το FAD που συνδέεται με το Er CRY4 μειώνεται (αποκτά ένα ηλεκτρόνιο) παρουσία φωτός.

Οι ρίζες περιέχουν έναν περίεργο αριθμό ηλεκτρονίων και ένα ζεύγος ριζών αποτελείται από δύο ρίζες που έχουν δημιουργηθεί ταυτόχρονα, συνήθως από μια χημική αντίδραση.

Στο Er CRY4, τα περίεργα ηλεκτρόνια των ριζών παρέχονται μέσω διαδοχικής μετάβασης ηλεκτρονίων κατά μήκος μιας αλυσίδας τριών ή τεσσάρων υπολειμμάτων αμινοξέων τρυπτοφάνης (που ονομάζονται Trp _A έως Trp _D) που βρίσκονται μεταξύ του FAD και της επιφάνειας του κρυπτοχρώματος.

Στην περίπτωση του FAD, το περίεργο ηλεκτρόνιο που προκύπτει από τη μείωση της παρουσίας φωτός καθιστά τις ρίζες εγγενώς μαγνητικές.

Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ως μικροσκοπικοί μαγνήτες, με μια ιδιότητα που οι φυσικοί αποκαλούν περιστροφή (συνήθως συμβολίζεται με ένα βέλος ↑).

Σε ένα μόριο με ομοιόμορφο αριθμό ηλεκτρονίων, οι περιστροφές κάθε ζεύγους ηλεκτρονίων ακυρώνουν ακριβώς το ένα το άλλο, καθιστώντας το μόριο μη μαγνητικό.

Εάν οι περιστροφές των περίεργων ηλεκτρονίων σε καθεμία από τις δύο ρίζες σε ένα ριζικό ζεύγος είναι αντιπαραλληλικές (↓ ↑), το ριζοσπαστικό ζεύγος λέγεται ότι καταλαμβάνει μια μονή κατάσταση, αλλά όταν είναι παράλληλα (↑↑), το ζεύγος καταλαμβάνει τριπλό κατάσταση.

Όταν το cryptochrome γίνεται φωτοεξαρτώμενο, δημιουργεί πάντα ένα ριζοσπαστικό ζεύγος στην κατάσταση singlet, αλλά δεν παραμένει έτσι για πολύ.

Λόγω ενός quirk της κβαντικής μηχανικής, το ριζοσπαστικό ζεύγος μετατρέπεται γρήγορα στην τριπλή κατάσταση και στη συνέχεια συνεχίζει να αναπηδά μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο.

Κάθε μία από αυτές τις δύο καταστάσεις μπορεί να παράγει ένα προϊόν αντίδρασης – τη μορφή cry4 που περιέχει τη ρίζα FADH ^•, το οποίο είναι το προτεινόμενο μόριο σηματοδότησης για μαγνητική λήψη (Εικ. 1).

Όμως, η κατάσταση μονής μπορεί επίσης να επανέλθει στην οξειδωμένη, μη διεγερμένη κατάσταση εδάφους, μειώνοντας έτσι τη σχετική συμβολή της στη δημιουργία προϊόντων αντίδρασης.

Έτσι, εάν η αλληλομετατροπή των καταστάσεων singlet και triplet μπορεί να χειριστεί για να αλλάξει το σχετικό χρονικό διάστημα που ξοδεύεται σε καθεμία από τις δύο καταστάσεις, έτσι μπορεί επίσης να χειραγωγηθεί η απόδοση των προϊόντων αντίδρασης, επειδή ένα μεγαλύτερο κλάσμα χρόνου στο τρίδυμο κατάσταση οδηγεί σε υψηλότερη απόδοση προϊόντων αντίδρασης.

Οι ζωολογικές δεξιότητες αναπτύσσονται από γενιά σε γενιά

Εδώ βρίσκεται η καρδιά του προτεινόμενου μαγνητοαισθητήρα με βάση το κρυπτοχρωμικό: ο σχετικός χρόνος που αφιερώνεται στις καταστάσεις singlet και triplet και η απόδοση των προϊόντων αντίδρασης χειρίζονται άμεσα από την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της Γης.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ ενός μόνο μορίου Er CRY4 και του πεδίου είναι, από μόνη της, τουλάχιστον ένα εκατομμύριο φορές πολύ αδύναμη για να δημιουργήσει τις ρίζες και να επηρεάσει τη σταθερότητά τους ², αλλά η απαιτούμενη ενέργεια παρέχεται από το φωτόνιο που απορροφάται από το FAD.

Ωστόσο, για να λειτουργήσει αυτό, το ριζικό ζεύγος πρέπει να είναι αρκετά μαγνητικά ευαίσθητο και το προϊόν της αντίδρασης πρέπει να υπάρχει για αρκετό καιρό και να έχει αρκετά υψηλή απόδοση για να δρα ρεαλιστικά ως αισθητηριακή ουσία σηματοδότησης.

Σε μια περιοδεία της βιοφυσικής χημείας, ο Xu και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ένα ευρύ φάσμα τεχνικών, όπως φασματοσκοπικές μεθόδους και προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, για να δείξουν ότι όλες αυτές οι συνθήκες ικανοποιούνται από το Er CRY4, τουλάχιστον in vitro .

Όχι μόνο το Er CRY4 έχει πολύ υψηλότερη μαγνητική ευαισθησία από ό, τι οι πρωτεΐνες CRY4 σε μη μεταναστευτικά περιστέρια και κοτόπουλα, αλλά οι ειδικές για τη θέση μεταλλάξεις υπολειμμάτων αμινοξέων στο Er CRY4 αποκαλύπτουν επίσης ότι το Trp _{D του} είναι πιθανώς υπεύθυνο για την παραγωγή υψηλών και μακρών – διαρκή απόδοση (μεγαλύτερης από χιλιοστά του δευτερολέπτου) αποδόσεων προϊόντων αντίδρασης που θα χρειαζόταν για μαγνητοαισθητηριακή σηματοδότηση.

Αν και τα στοιχεία που παρείχε ο Xu και οι συνάδελφοί του δεν είναι οριστική απόδειξη ότι το Er CRY4 είναι ο αόριστος μαγνητοϋποδοχέας in vivo , οι συγγραφείς μας έφεραν όλο και πιο κοντά στην επίλυση αυτού του μόνιμου μυστηρίου της αισθητηριακής βιολογίας.