Brújula biológica

Los investigadores encontraron los genes que codifican las proteínas MagR y Cry en las retinas de las palomas. millas cada año o encontrar el camino a casa con señales visuales mínimas o nulas. Pero los mecanismos biológicos que subyacen a este sentido magnético han estado envueltos en misterio durante mucho tiempo. Investigadores en China pueden haber encontrado una pista tentadora sobre el fenómeno de navegación enterrado en lo profundo del genoma de la mosca de la fruta. El equipo, dirigido por el biofísico Can Xie de la Universidad de Pekín, descubrió una proteína similar a un polímero, denominada MagR, y determinó que forma un complejo con una proteína fotosensible llamada Cry. Los investigadores descubrieron que el complejo de proteínas MagR/Cry tiene un momento magnético permanente, lo que significa que se alinea espontáneamente en la dirección de los campos magnéticos externos. Los resultados se publicaron hoy (16 de noviembre) en Nature…

Este es el único complejo proteico conocido que tiene un momento magnético permanente, dijo Peter Hore, químico físico de la Universidad de Oxford, Reino Unido, que no participó en la investigación. Es un descubrimiento notable.

Xie y sus colegas recurrieron a modelos bioquímicos de larga data que buscaban explicar el sentido magnético de los animales para iniciar la búsqueda de un magnetorreceptor físico. Uno de estos involucra moléculas que incorporan óxidos de hierro en su estructura y otro involucra a Cry, que se sabe que produce pares de radicales en algunos campos magnéticos. Sin embargo, esto solo demostró que Cry juega un papel fundamental en las vías biológicas magnetorreptivas, no necesariamente que sea el receptor, escribió Xie en un correo electrónico a The Scientist. Creemos que [existen] tales receptores universales de proteínas magnetosensibles en un organismo, y nos dispusimos a encontrar este eslabón perdido.

Los investigadores realizaron análisis del genoma completo del ADN de Drosophila para buscar una proteína que pueda asociarse con Cry y servir como ese magnetorreceptor. Predijimos la existencia de un complejo magentosensor multimérico con los atributos de los sistemas basados en Cry y hierro, escribió Xie. Sorprendentemente, más tarde, nuestra evaluación y experimentos en todo el genoma demostraron que esto es real.

Xie y sus colegas fueron lo suficientemente valientes como para realizar la búsqueda en todo el genoma para encontrar esta proteína, dijo James Chou, un biofísico de la Escuela de Medicina de Harvard. A veces funciona, a veces no obtienes nada. Afortunadamente, esta vez obtuvo algo importante.

En 2012, después de identificar MagR en Drosophila, Xie y sus colegas examinaron los genomas de varias otras especies animales y encontraron genes tanto para Cry como para MagR en prácticamente todos ellos, incluso en mariposas, palomas, petirrojos, ratas, ratas topo, tiburones, tortugas y humanos. Esta proteína se conserva evolutivamente en diferentes clases de animales (desde mariposas hasta palomas, ratas y humanos), escribió Xie.

Al determinar que MagR y Cry estaban altamente expresados y colocados en las retinas de las palomas, el equipo de Xie se centró en esa especie para realizar más experimentos para descubrir la estructura y el comportamiento del complejo proteico. Usando copurificación bioquímica, microscopía electrónica y experimentos celulares en presencia de un campo magnético, los investigadores construyeron un modelo en forma de barra del complejo MagR/Cry y sugirieron un mecanismo potencial de cómo el complejo podría funcionar in situ para detectar el magnetismo. Es bastante convincente que este complejo pueda ser el magnetorreceptor, al menos para el organismo del que lo han extraído, dijo Chou. Creo que es un gran paso adelante para desvelar todo este misterio.

Cry probablemente regula el momento magnético del complejo en forma de bastón, mientras que los grupos de hierro y azufre en la proteína MagR son probablemente los que dan lugar a la polaridad magnética permanente de la estructura. La biobrújula a nanoescala tiene la tendencia de alinearse a lo largo de las líneas del campo geomagnético y obtener señales de navegación de un campo geomagnético, escribió Xie. Proponemos que cualquier perturbación de esta alineación puede ser capturada por la maquinaria celular conectada, como el citoesqueleto o los canales iónicos, que canalizarían la información hacia el sistema neuronal corriente abajo, formando el sentido magnético (o visión magnética) de los animales.

Hore fue cauteloso al decir que el complejo recién modelado es absolutamente responsable de la magnetorrecepción en los animales. No creo que diría que es un cambio de juego, pero es muy interesante y generará mucho trabajo experimental y teórico, dijo. Puede ser muy relevante para la magnetorrecepción, es demasiado pronto para saberlo.

Puede que no sea muy preciso porque en realidad es solo un modelo, estuvo de acuerdo Chou, pero creo que es un buen esfuerzo y funcionará. estimular el trabajo de seguimiento en la estructura.

Por supuesto, puede haber componentes biológicos adicionales que jueguen para dar a los animales un sentido magnético. Las palomas, por ejemplo, perciben la inclinación del campo magnético de la Tierra en lugar de la dirección absoluta del campo, señala Hore. El complejo MagR/Cry, como se describe en el artículo, sería capaz de detectar la dirección absoluta o la intensidad de un campo, no la inclinación.

Pero más allá de las pistas sobre cómo los animales perciben el campo magnético de la Tierra para fines de navegación, el descubrimiento puede producir nuevas herramientas bioquímicas que podrían ser utilizadas por otros investigadores. La principal de estas aplicaciones es el potencial para usar el complejo MagR/Cry junto con campos magnéticos controlados para controlar el comportamiento de las células o de organismos completos. Tal desarrollo sería una especie de versión magnética de la optogenética, dijo Cho.

Xie estuvo de acuerdo. Puede dar lugar a la magnetogenética, escribió. (Véase Alleged Scoop Sours Magnetorreceptor Collaboration, The Scientist, septiembre de 2015).

El estudio también genera múltiples preguntas sobre los componentes biológicos que rodean el complejo proteico y cómo contribuyen a la sensación magnética. Esto es solo la punta del iceberg, dijo Chou. Esto abre muchos proyectos futuros para revelar cómo esta polaridad, o alineación con el campo magnético de la Tierra, puede transmitir señales, ya sea una señal neuronal o una que regula la transcripción.

Xie dijo que piensa que mientras el modelo de biobrújula que él y sus colegas propusieron puede servir como un mecanismo universal para la magnetorrecepción animal, puede haber más magnetorreceptores por descubrir. Además, la evolución mejoró el sentido magnético en algunas especies, especialmente en las migratorias, lo que podría haber dado lugar a numerosas variaciones sobre el tema. Esto incluso puede extenderse a los humanos, agregó. Tengo un amigo que tiene muy buen sentido de las direcciones y sigue diciéndole a la gente que siempre puede saber dónde está el sur, dónde está el norte, incluso a un lugar nuevo en el que nunca ha estado, escribió Xie en un correo electrónico. Según él, sintió que había una brújula en su cerebro. Me reí, pero ahora creo que entiendo lo que quería decir. . . . Sin embargo, el sentido de la dirección de los humanos es muy complicado. La magnetorrecepción puede desempeñar algunas funciones.

S. Qin et al., A magnetic protein biocompass, Nature Materials, doi:10.1038/nmat4484, 2015.

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