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Una proteína que se encuentra en los ojos de los petirrojos tiene todas las características de un magnetorreceptor y podría ayudar a las aves a navegar usando los campos magnéticos de la Tierra, según un estudio publicado hoy (23 de junio) en Nature. La investigación, un análisis intensivo in vitro del criptocromo 4 de petirrojo (Cry4), reveló que la proteína es magnéticamente sensible y cumple varias predicciones de una de las principales teorías cuánticas sobre cómo podría funcionar la magnetorrecepción aviar.
Los autores del estudio argumentan que sus hallazgos respaldan a Cry4 como el receptor probable para las aves, que sigue siendo en gran medida un misterioso sentido magnético. Pero algunos otros investigadores que hablaron con The Scientist dicen que si bien los resultados son extremadamente útiles para comprender los criptocromos, una familia de proteínas que a menudo se estudian en los ritmos circadianos, el artículo omite algún contexto científico para sus hallazgos y no necesariamente apoyar a Cry4 como el escurridizo magnetorreceptor.
Es un paso muy importante demostrar que este criptocromo 4 realmente puede percibir la luz y luego volverse magnéticamente sensible, dice Rachel Muheim, zoóloga e investigadora de magnetorrecepción en la Universidad de Lund en Suecia, quien no participó en este trabajo. Ella dice que, en su opinión, Cry4 ya ha surgido en la literatura más amplia como el candidato más probable en la navegación aviar, pero hay una serie de experimentos que no pueden explicarse por el mecanismo en el que se enfoca el nuevo estudio y que no se abordan en el artículo. ella agrega. Hay muchas preguntas sin respuesta.
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Muchos animales usan los campos magnéticos de la Tierra para ayudarlos a navegar, pero los científicos han debatido durante mucho tiempo los mecanismos biológicos que sustentan este sexto sentido, con reiteradas acusaciones de hallazgos irreproducibles y, en ocasiones, acalorados debates entre diferentes grupos de investigación.
La teoría del criptocromo de la magnetorrecepción se basa en la mecánica cuántica. Los criptocromos son flavoproteínas sensibles a la luz que se encuentran en las retinas de las aves y varios otros grupos de animales, y se sabe que forman un par de moléculas radicales con electrones desapareados cuando se exponen a la luz. Estos electrones tienen espines correlacionados, y el trabajo teórico e in vitro indica que sus estados pueden verse influenciados por campos magnéticos, lo que lleva a la hipótesis de que las proteínas criptocromáticas podrían proporcionar la base para la magnetorrecepción animal.
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Hasta la fecha, se han encontrado al menos cuatro criptocromos (Cry1a, Cry1b, Cry2 y Cry4) en los ojos de las aves. Si bien algunos grupos han centrado su atención en Cry1a, el químico de la Universidad de Oxford Peter Hore, coautor del nuevo estudio, le dice a The Scientist que él y sus colegas en Oxford y en la Universidad de Oldenburg en Alemania ven Cry4 como el candidato más probable. A diferencia de algunos de los otros criptocromos aviares, dice Hore, Cry4 se une a una molécula en particular necesaria para ayudarlo a absorber la luz y someterse al tipo de fotoquímica necesaria para detectar campos magnéticos.
Desde nuestro punto de vista , la evidencia apunta abrumadoramente a que Cry4 es el candidato más candente.
Henrik Mouritsen, Universidad de Oldenburg
Además, los otros criptocromos en las aves muestran un ritmo de 24 horas en su expresión, consistente con su participación en la regulación circadiana, mientras que el Cry4 no lo hace, pero sí muestra una variación estacional, que los demás no muestran, agrega. Eso podría ser consistente con la necesidad de migrar en primavera y otoño.
Para explorar más la idea, el equipo aisló Cry4 de petirrojos europeos (Erithacus rubecula) que migran de noche cuando los cielos son tenues, aunque no completamente oscuros, y estudió la proteína in vitro utilizando varias técnicas, incluidas simulaciones por computadora y varios tipos de espectroscopia que pueden medir cómo los campos magnéticos afectan la fotoquímica de la proteína. Los investigadores también crearon versiones mutantes de la proteína para descubrir el papel de los aminoácidos individuales en la sensibilidad de Cry4 a los campos magnéticos.
Mostraron que Cry4 genera pares de radicales en una reacción dependiente de la luz al hacer que los electrones salten a lo largo una cadena de aminoácidos de triptófano, y que estos pares son muy sensibles a los campos magnéticos. Además, en comparación con robin Cry4, el mismo criptocromo aislado de pollos y palomas, dos aves no migratorias, era mucho menos sensible a los campos magnéticos, lo que sugiere que robin Cry4 podría estar particularmente especializado para la magnetorrecepción, escriben los autores en su artículo.
David Keays, de la Universidad Ludwig Maximilians de Múnich, que no participó en el trabajo, dice que los hallazgos parecen respaldar el papel de Cry4 en la magnetorrecepción, y agrega que el estudio es coherente con la investigación de su propio grupo sobre las proteínas que detectan campos magnéticos. . Señala que los campos magnéticos utilizados en el estudio eran más fuertes que los generados por la Tierra. Los autores ven un claro efecto magnético al aplicar campos de 10-30 mT a CRY4 en tubos de ensayo, agrega en un correo electrónico. [S]o se aplica lo mismo a los campos de fuerza de la Tierra (50uT) en un ave migratoria es una pregunta abierta.
Alex Jones, un especialista en fotoquímica y efectos de campo magnético en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido que no involucrado en el estudio, dice que los datos y la interpretación de los autores de los resultados en relación con el comportamiento de las proteínas son muy sólidos. Con respecto a la fuerza de los campos magnéticos utilizados, agrega que el mecanismo de pares radicales predice efectos tanto en campos más débiles como más fuertes, y que partir de la exposición a campos más fuertes tiene sentido desde un punto de vista experimental.
Debate sobre datos de comportamiento existentes
Margaret Ahmad, fotobióloga de la Universidad de Sorbonne en París que ayudó a descubrir los criptocromos a principios de la década de 1990 mientras trabajaba en plantas de Arabidopsis y no participó en el trabajo actual, dice que si bien los investigadores hicieron un trabajo tremendo al proporcionar datos valiosos sobre Cry4, encuentra que sus conclusiones sobre la navegación aviar no están respaldadas y son contrarias a los datos existentes de experimentos en el comportamiento animal.
No es científicamente admisible relacionar [esto mecanismo Cry4] a la magnetodetección en vista de la evidencia de comportamiento que contradice cualquier papel que tenga en la magnetorrecepción aviar, dice Ahmad, quien previamente ha debatido con el grupo de Hores en la literatura sobre las funciones de otras proteínas criptocromáticas en las plantas.
Uno de los puntos de discusión es el hecho de que se sabe que el mecanismo de par radical particular descrito en el nuevo artículo no funciona bajo luz verde. Sin embargo, Muheim y otros han informado a partir de experimentos de comportamiento que los petirrojos y otras aves son, de hecho, capaces de orientarse bien bajo la luz verde, aunque existe una discusión en curso en el campo sobre si estos hallazgos podrían deberse en parte a las condiciones de luz a las que estuvieron expuestas las aves. antes de ser probado.
Hore dice que no está claro cómo encaja Cry4 en esta literatura en este momento. No estoy seguro de qué hacer con eso, dice. Tal vez la fotoquímica sea más complicada de lo que pensamos, ciertamente podría ser diferente in vivo.
Ahmad también apunta a la investigación de los veteranos investigadores de magnetorrecepción Roswitha Wiltschko y Wolfgang Wiltschko, quienes llevaron a cabo experimentos de orientación utilizando luces parpadeantes y campos magnéticos cambiantes. . La pareja concluyó que el magnetosensor de los petirrojos funcionaba incluso en completa oscuridad. Por lo general, este no es el tipo de condición en la que navegarían los petirrojos, pero los hallazgos llevaron a los investigadores a proponer que es una reacción diferente de un par radical independiente de la luz en el criptocromo que es importante para la magnetorrecepción.
Mi sensación personal es que estamos un poco más allá de mirar solo un extremo de esto, solo la química física o solo los pájaros.
Thorsten Ritz, Universidad de California, Irvine
Estos puntos no se discutieron en el periódico, señala Ahmad. ¿Por qué ignoraría estos [datos en su artículo]? Tienes que adaptar tu modelo a los datos de comportamiento existentes, dice ella. Si no estuviera en el campo en absoluto, tendría la idea de que ¡Ah! El magnetorreceptor de pájaro, ¡lo tenemos!
Los Wiltschkos, que trabajan en la Universidad Goethe de Frankfurt y han colaborado con Ahmad y Hore en varias ocasiones, han argumentado que la posición de Cry4 en el ojo se asocia con gotas de aceite que bloquean el tipos de luz necesarios para activar la proteína también hacen de Cry4 un candidato poco probable. En un correo electrónico enviado a The Scientist, Roswitha Wiltschko destaca muchos de los mismos puntos que Ahmad y señala que prefiere Cry1a, que se encuentra en [fotorreceptores que] contienen gotas de aceite transparente que dejan pasar todas las longitudes de onda. , como el probable magnetorreceptor en las aves.
También agrega que la brújula magnética aviar no está restringida en absoluto a las aves migratorias. [En] particular, se ha demostrado que las palomas mensajeras y los pollos usan una brújula magnética; por lo tanto, no esperaríamos que estuvieran peor equipados.
La Universidad de Oldenburgs Henrik Mouritsen, coautor del nuevo estudio, dice que su grupo ha tratado de replicar varios estudios diferentes de magnetorrecepción realizados por Wiltschkos. y otros grupos sin éxito. Si no podemos replicar ciertas afirmaciones, realmente no podemos referirnos a esas cosas como hechos, porque no podemos verlos y también hemos publicado que no podemos verlos.
Él está de acuerdo en que el estudio actual del equipo no proporciona prueba concluyente de que Cry4 es el magnetorreceptor en los petirrojos, pero agrega que, en combinación con el resto de la literatura (excluyendo los artículos que su grupo ha concluido que son irreproducibles), en nuestra opinión, la evidencia apunta abrumadoramente a que Cry4 es el candidato más candente.
Destaca que el comportamiento de las proteínas in vitro coincide muy bien con las predicciones teóricas sobre la magnetorrecepción. Diría que es asombroso si lo que medimos en esta molécula es solo una coincidencia, agrega. [Yo] creo que la afirmación de que es poco probable que lo que hemos medido tenga algo que ver con la detección magnética en las aves es. . . injustificado.
Un mejor vínculo entre in vitro e in vivo
Thorsten Ritz, físico de la Universidad de California, Irvine, que ayudó a desarrollar el modelo original de par radical criptocromo de la magnetorrecepción aviar hace más de 20 años y fue uno de los revisores del nuevo artículo, que se envió a mediados de 2019, le dice a The Scientist que si bien las descripciones detalladas de las proteínas que están potencialmente involucradas son extremadamente importantes, mi sensación personal es que estamos un poco más allá de mirar un extremo de esto, solo la química física, o solo los pájaros. Así es como empezamos hace 50 años en este campo. Los investigadores deberían trabajar en el desarrollo de nuevos sistemas experimentales que les permitan estudiar todo, desde la detección de un campo magnético hasta algún tipo de efecto fenotípico, agrega.
Hore dice que aunque es un desafío hacerlo in vivo experimentos con supuestos magnetorreceptores, podría ser posible inhibir la función de Cry4 en los ojos de las aves y estudiar la importancia de la magnetosensibilidad de las proteínas in vivo. Agrega que el equipo ahora está trabajando con proteínas mutantes de criptocromo para comprender qué hace que Robin Cry4 sea particularmente sensible a los campos magnéticos en comparación con el criptocromo de pollo o paloma.
También están interesados en el papel de un aminoácido de tirosina. que se encuentra al final de la cadena de triptófano. Creo que eso podría ser bastante importante para el mecanismo de detección y señalización, dice Hore. Me gustaría encontrar una manera de hacer que los experimentos in vitro imiten la situación in vivo más de cerca para ver si podemos obtener evidencia de la participación de esa tirosina.