鴿子隱花色素蛋白感應磁場的化學機制研究

《鴿子隱花色素蛋白感應磁場的化學機制研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由王璟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鴿子隱花色素蛋白感應磁場的化學機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王璟
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

許多動物具有地磁導航功能。研究表明，基於隱花色素蛋白（Cry）的光化學反應可能是其感應磁場的原初過程。課題組前期利用瞬態螢光光譜表征出鴿子clCry1對微弱磁場的回響，為基於Cry的化學磁羅盤機制提供了有力證據。但國內外對其作用機理了解仍非常有限。本項目計畫利用光譜技術對生物磁導航的原初過程開展系統研究。首先表征不同環境（磁場、光照、溶劑、氧含量）下野生型和突變型clCry1的磁效應，揭示其磁回響規律並篩選典型環境條件；然後利用電子順磁共振及電子−核雙共振技術，考察各典型環境下蛋白光反應的自由基對中間態，找出蛋白磁效應與自由基對的內在聯繫；再利用穩態光譜表征基態蛋白上FAD的氧還態，確定蛋白光反應的始態；最後，結合轉染蛋白的細胞裂解液及純化蛋白的上述實驗結果，推導出蛋白體內和體外感應磁場的化學機制及其相關性。研究成果對動物磁導航行為的理解、仿生磁敏分子的設計及仿生感測器的研製具有重要意義。

結題摘要

許多動物具有地磁導航功能。研究表明，基於隱花色素蛋白（Cry）的光化學反應可能是其感應磁場的原初過程。課題組前期利用瞬態螢光光譜表征出鴿子CCry1對微弱磁場的回響，為基於Cry的化學磁羅盤機制提供了有力證據。但國內外對其作用機理了解仍非常有限。本項目計畫利用光譜技術對生物磁導航的原初過程開展系統研究。首先，我們對蛋白的表達和純化技術開展了系統研究，實現了隱花色素蛋白在真核異源、原核異源以及無細胞中的表達，解決了蛋白的大量、快速、高效且低成本的獲取難題。得到了ClCry1/4兩種純化蛋白，並利用瞬態螢光光譜驗證了FAD修復ClCry1純化蛋白的磁敏特性。將克隆的Cry1/2/4基因進行序列比對和分類研究，再結合蛋白上FAD含量的測定，提出ClCry4是光受體，ClCry1/2屬於type 2 Cry，是轉錄抑制因子。後續的蛋白組織分布、節律表達、亞細胞定位等研究進一步證明上述推論。為此，我們提出ClCry4作為鴿子磁受體的觀點。隨後我們系統考察了ClCry4蛋白的光穩定性和光化學反應，確定了蛋白光反應的始態、中間態，並通過突變體光致還原反應明確基於三個色氨酸的電子傳遞鏈對蛋白光受體功能的重要性。基於以上工作，推導出蛋白體內/體外感應磁場的化學機制及其相關性。同時，我們還設計併合成了由黃素與色氨酸通過多個胺基酸共價連線的仿生多肽磁敏分子，進一步證明蛋白感應磁場的化學機制。上述成果均為原創，所得結論不僅能幫助我們更深入地理解動物的磁導航行為，而且對於Cry 蛋白光活化機制的深入了解、仿生磁敏分子的設計、仿生磁感測器的研製以及電子轉移理論和自由基對機理的完善都具有重要意義。因為隱花色素蛋白是研究化學反應弱磁效應、長壽命光致電荷分離態的一個優秀模型分子，所以研究工作還將為研究化學反應磁效應、量子糾纏、光合作用提供科學基礎，為太陽能電池和新一代光電功能材料及器件的研製提供新思路。