Descubrimiento de un gran avance en el mecanismo de detección magnética en aves

Las aves migratorias como los petirrojos europeos pueden sentir el campo magnético de la Tierra. Ahora, los investigadores han demostrado por primera vez que la molécula de su instrumento óptico es sensible a un campo magnético. Crédito: Corinna Langbrick e Ilya Solov-Yov

Los seres humanos perciben el mundo que les rodea con cinco sentidos: ver, oír, saborear, oler y tocar. Muchos otros animales también pueden sentir el campo magnético de la Tierra. Desde hace algún tiempo, una colaboración de biólogos, químicos y físicos con base en las Universidades de Oldenburg (Alemania) y Oxford (Reino Unido) ha estado recopilando evidencia de que la sensación magnética de aves migratorias como los petirrojos europeos depende de una sensibilidad particular a la luz. proteína en el ojo. En el número actual de la revista naturaleza, este equipo demuestra que la proteína criptocromo 4, que se encuentra en la retina de las aves, es sensible a los campos magnéticos y podría ser el sensor magnético tan esperado.

El primer autor Jingjing Shu, estudiante de doctorado en el Grupo de Investigación Henrik Moritzen en Oldenburg, dio un paso crucial hacia este éxito. Después de extraer el código genético del criptocromo 4 potencialmente sensible al magnético en petirrojos europeos migratorios nocturnos, pude, por primera vez, producir en masa esta molécula fotoactiva utilizando cultivos de células bacterianas. Luego, los grupos de Christian Temel y Stuart Mackenzie en Oxford utilizaron una amplia gama de nuevas técnicas de resonancia magnética y espectroscopía óptica para estudiar la proteína y demostrar su aparente sensibilidad a los campos magnéticos.

El equipo también descifró el mecanismo por el cual surge esta sensibilidad, otro avance importante. «Los electrones que pueden moverse dentro de la molécula después de que se activa la luz azul juegan un papel importante», explica Moritsyn. Las proteínas como el criptocromo están compuestas por cadenas de aminoácidos: el criptocromo 4 de Robin contiene 527 de ellos. Peter Hauer y el físico de Oldenburg de la Universidad de Oxford, Ilya Solov-Yoff, realizaron cálculos de mecánica cuántica que respaldan la idea de que cuatro de los 527, conocidos como triptófano, son esenciales para las propiedades magnéticas de la molécula. Según sus cálculos, los electrones saltan del triptófano al siguiente triptófano para generar los llamados pares de radicales magnéticamente sensibles. Para demostrar esto experimentalmente, el equipo de Oldenburg produjo versiones ligeramente modificadas de criptocromo robin, en las que cada triptófano fue reemplazado a su vez por un aminoácido diferente para bloquear el movimiento de electrones.

Usando estas proteínas modificadas, los grupos de Oxford Chemistry pudieron demostrar experimentalmente que los electrones se mueven dentro del criptocromo como se esperaba en los cálculos, y que los pares de radicales generados son esenciales para explicar los efectos del campo magnético observados.

El equipo de Oldenburg también expresó cifrado 4 pollos y palomas. Cuando se estudiaron en Oxford, las proteínas de esta especie, que no migran, mostraron una fotoquímica similar a la del petirrojo migratorio, pero parecen ser significativamente menos sensibles magnéticamente.

«Creemos que estos resultados son muy importantes porque muestran por primera vez que una molécula del sistema visual de un ave migratoria es sensible a los campos magnéticos», dice Morrison. Pero agrega que esto no es una evidencia concluyente de que el criptocromo 4 sea el sensor magnético que está buscando el equipo. En todos los experimentos, los investigadores examinaron proteínas aisladas en el laboratorio. Los campos magnéticos utilizados también fueron más fuertes que el campo magnético de la Tierra. «Por lo tanto, aún está por demostrar que esto sucede a los ojos de las aves», enfatiza Moritzen. Estos estudios aún no son técnicamente viables.

Sin embargo, los autores creen que las proteínas en cuestión podrían ser significativamente más sensibles en su entorno nativo. En las células de la retina, es probable que las proteínas se fijen y alineen, aumentando su sensibilidad a la dirección del campo magnético. Además, también es probable que se una a otras proteínas que pueden amplificar las señales sensoriales. El equipo está buscando socios de interacción aún desconocidos.

«Si podemos demostrar que el criptocromo 4 es el sensor magnético, habremos demostrado un mecanismo cuántico fundamental que hace que los animales sean sensibles a los estímulos ambientales un millón de veces más débiles de lo que se pensaba», dice Hoare.

Referencia: «Sensibilidad magnética del criptocromo 4 de un ave migratoria migratoria» Por Jingjing Xu, Lauren E. Jarrocha, Tilo Zolic, Marcin Konwalczyk, Kevin B Hinbest, Sabine Reichert, Matthew J. Golesworthy, Jessica Schmidt, Victoire Degen, Daniel J. C. Sood, Marco Passito, Jate Law, Jessica R Walton, Jessica Fleming, Eugene Wei, Tommy L. Beecher, Gabriel Moyes, Mike Hermann, Hang Yen, Hygeia Wu, Rabih Bartulke, Stephanie J. Casihagen, Simon Hurst, Glenn Duttag, Patrick Morton, Angela S. Jerkins, Yugarani; Chilia, Joseph S .; Takahashi, Carl Wilhelm Koch, Stefan Weber, Ilia A. Solov-Yov, Kan Shi, Stuart R. Mackenzie, Christian R. Temel, Henrik Moritzyn y PJ Hoar, 23 de junio de 2021, disponible aquí. naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03618-9

La colaboración entre Oldenburg y Oxford está financiada por una subvención de sinergia de 6 años del Consejo Europeo de Investigación (ERC) titulada Quantum Birds. La colaboración también es una parte clave del centro de investigación colaborativa, «Recepción y navegación magnéticas en vertebrados» (SFB 1372) financiado por la Fundación de Investigación Alemana (DFG), e Ilya Solov-Yof es profesor en Lichtenberg financiado por VolkswagenStiftung.