中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（Steady High Magnetic Field Facility，简称SHMFF）是国家发改委支持的“十一五”国家重大科技基础设施。SHMFF法人单位是中国科学院合肥物质科学研究院，共建单位是中国科学技术大学。各项任务以中国科学院强磁场科学中心为依托... 更多简介 +
近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心磁生物学研究团队谢灿课题组与英国牛津大学Peter Hore教授、德国奥登堡大学Henrik Mouritsen教授等实验室组成的国际合作研究团队在动物磁感应和生物导航领域取得了重大突破，揭示了迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理。相关研究成果6月23日以封面长文的形式发表在《自然》期刊（Nature）上，论文题为“Magnetic sensitivity of cryptochrome 4 from a migratory songbird ”，谢灿研究员是论文的共同通讯作者，强磁场科学中心为共同通讯单位。
地球上的许多生物在几十亿年的进化过程中，发展出利用微弱的地磁场在海陆空不同空间、不同尺度上实现精确定向和导航的令人惊叹的能力，其科学原理尚未明确。“迁徙动物如何利用磁场找到回家的路”被《科学》杂志列为125个尚未解决的重要前沿科学问题之一。阐明动物感知地球磁场进行迁徙和导航的原理，不仅在基础研究中具有重要意义，也是生物磁控技术和不依赖于卫星的新一代导航定位技术的需求。磁场对生物样品的穿透性使得磁场刺激能够远程地、无损地深入生物体内部如大脑深处，利用磁场控制细胞或生物体有着无可比拟的优势，这也因此成为最近十年的研究热点和许多科学家的追求。然而，理论上的工作原理目前尚未完全阐明，实验上的瓶颈同样没有突破，这也使得生物磁控技术举步维艰。
强磁场科学中心谢灿课题组与英国牛津大学、德国奥登堡大学的相关实验室组成的国际合作研究团队应用磁共振光谱学等手段，对几种鸟类的磁感应关键蛋白Cry进行了深入研究，首次发现迁徙鸟类如欧洲知更鸟的Cry蛋白对磁场的敏感性显著大于非迁徙鸟类的Cry蛋白，这种敏感性主要体现在自由基对中纠缠电子的自旋状态的改变。研究还揭示了由Cry蛋白介导的磁感应机理：在蓝光激发后，Cry蛋白中的辅基FAD发生还原反应，电子在Cry蛋白中的FAD和四个保守的色氨酸（也称为色氨酸四联体Trp-tetrad，分别命名为TrpA,TrpB,TrpC,TrpD）之间进行跳跃，这种电子跳跃对磁场高度敏感。量子化学实验和理论计算首次发现，这一电子传递过程同时承担了“磁感应”和“信号传递”两种不同的功能，其中第四个色氨酸TrpD对信号传递至关重要。该研究一定程度上揭示了迁徙鸟类对地磁场感知的量子生物学原理，为未来动物磁感应和生物导航研究指明了方向，同时也为仿生导航和生物磁控技术的发展提供了理论指导。
本研究为强磁场科学中心谢灿研究员和英国牛津大学Peter Hore教授、德国奥登堡大学Henrik Mouritsen教授多年前启动的长期合作项目的第一个阶段性成果。谢灿实验室有着独特的蛋白表达纯化系统和在磁感应蛋白上的丰富经验，在2015年首次报道并制备出大量折叠正确并结合了FAD辅基的具有生物活性的Cry4蛋白（Nature Materials）。谢灿课题组与奥尔登堡大学Henrik Mouritsen课题组合作，首次在实验室成功制备获得了具有生物活性的夜间迁徙鸟类欧洲知更鸟的Cry蛋白，质谱分析显示该蛋白的辅因子结合率高达97%，为整项研究的成功奠定了基础。
由于具有重要的前沿研究价值与未来战略需求，磁生物学一直是强磁场科学中心与强磁场安徽省实验室的重要研究方向，在合肥综合性国家科学中心的“强光磁关键技术预研项目”中也单独设立了子课题予以专门研究。此外，这项研究还得到了国家自然科学基金、中国科学院合肥物质科学研究院拔尖人才专项基金和国际磁生物学前沿研究中心的大力支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03618-9
北京时间6月23日23时出版的《自然》杂志封面及文中的一些主要数据
左图显示知更鸟隐花色素蛋白4的三维结构中，FAD辅基和在进化中保守的四个色氨酸的位置（分别以TrpA,TrpB,TrpC,TrpD标注，也称色氨酸四联体）；
右图为光谱学结果，显示隐花色素蛋白被蓝光激发后FAD的还原过程和自由基的形成
谢灿研究员
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