Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Leicester und der University of Manchester zeigen, dass ein Molekül namens Flavin-Adenin-Dinukleotid, das in allen lebenden Zellen vorhanden ist, in ausreichend hohen Mengen einem biologischen System magnetische Empfindlichkeit verleihen kann.
Drosophila melanogaster und andere nicht wandernde Tiere können externe Magnetfelder wahrnehmen. Bildnachweis: University of Manchester.
Die Fähigkeit von Arten, beträchtliche Entfernungen zurückzulegen, fasziniert die biologische Gemeinschaft seit langem.
Einer von mehreren Umweltreizen, die diese Wanderungen unterstützen, ist das Erdmagnetfeld.
Darüber hinaus reagieren mehrere andere Verhaltensweisen zuverlässig auf Magnetfelder, zumindest unter Laborbedingungen, was zeigt, dass die Fähigkeit, Magnetfelder wahrzunehmen und darauf zu reagieren, nicht auf wandernde Tiere beschränkt ist.
Die Identität der primären Magnetorezeptoren, die Mechanismen, die ihrer berichteten Lichtabhängigkeit zugrunde liegen, und wie das magnetische Signal übertragen wird, bleiben jedoch unklar.
„Wie wir die Außenwelt wahrnehmen, vom Sehen über das Hören bis hin zum Tasten, Schmecken und Riechen, ist gut verstanden“, sagte Professor Richard Baines, Neurowissenschaftler an der Universität Manchester.
„Doch welche Tiere ein Magnetfeld wahrnehmen und wie sie darauf reagieren, ist noch unbekannt.“
„Diese Studie hat erhebliche Fortschritte beim Verständnis gemacht, wie Tiere externe Magnetfelder wahrnehmen und darauf reagieren – ein sehr aktives und umstrittenes Feld.“
Dazu nutzten Professor Baines und Kollegen die Fruchtfliege (Drosophila melanogaster), um die Genexpression zu manipulieren, um ihre Ideen zu testen.
Obwohl die Fruchtfliege äußerlich sehr unterschiedlich ist, enthält sie ein Nervensystem, das genauso funktioniert wie unseres und in unzähligen Studien als Modell zum Verständnis der menschlichen Biologie verwendet wurde.
„Und das liegt daran, dass ein Magnetfeld sehr wenig Energie trägt, im Gegensatz zu Lichtphotonen oder Schallwellen, die von den anderen Sinnen verwendet werden und im Vergleich dazu eine große Wirkung haben“, sagte Dr. Adam Bradlaugh, ebenfalls von der University of Manchester.
Um dies zu umgehen, hat die Natur die Quantenphysik und Cryptochrom ausgenutzt, ein lichtempfindliches Protein, das in Tieren und Pflanzen vorkommt.
„Die Absorption von Licht durch Cryptochrom führt zur Bewegung eines Elektrons innerhalb des Proteins, das aufgrund der Quantenphysik eine aktive Form von Cryptochrom erzeugen kann, die einen von zwei Zuständen einnimmt“, sagte Dr. Alex Jones, Quantenchemiker bei National Physikalisches Labor.
„Das Vorhandensein eines Magnetfelds beeinflusst die relative Population der beiden Zustände, was wiederum die aktive Lebensdauer dieses Proteins beeinflusst.“
„Eines unserer bemerkenswertesten Ergebnisse, das im Widerspruch zum derzeitigen Verständnis steht, ist, dass Zellen weiterhin Magnetfelder „spüren“, wenn nur ein sehr kleines Fragment des Cryptochroms vorhanden ist“, sagte Dr. Bradlaugh.
„Das zeigt, dass Zellen, zumindest in einem Labor, Magnetfelder auf andere Weise wahrnehmen können.“
„Wir identifizieren einen möglichen ‚anderen Weg‘, indem wir zeigen, dass ein grundlegendes Molekül, das in allen Zellen vorhanden ist, in ausreichend hohen Mengen magnetische Empfindlichkeit verleihen kann, ohne dass ein Teil von Cryptochromen vorhanden ist.“
„Dieses Molekül, Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD), ist der Lichtsensor, der normalerweise an Cryptochrome bindet, um die Magnetosensitivität zu unterstützen.“
Die Ergebnisse sind wichtig, da wir durch das Verständnis der molekularen Maschinerie, die es einer Zelle ermöglicht, ein Magnetfeld zu erfassen, besser einschätzen können, wie sich Umweltfaktoren auf Tiere auswirken können, die zum Überleben auf einen magnetischen Sinn angewiesen sind.
Die Magnetfeldeffekte auf FAD in Abwesenheit von Cryptochrom liefern auch einen Hinweis auf die evolutionären Ursprünge der Magnetorezeption, da es wahrscheinlich ist, dass Cryptochrom sich entwickelt hat, um Magnetfeldeffekte auf diesen allgegenwärtigen und biologisch alten Metaboliten auszunutzen.
„Diese Studie könnte es uns letztendlich ermöglichen, die möglichen Auswirkungen einer Magnetfeld-Exposition auf den Menschen besser einzuschätzen“, sagte Professor Ezio Rosato von der University of Leicester.
„Da FAD und andere Komponenten dieser molekularen Maschinen in vielen Zellen zu finden sind, könnte dieses neue Verständnis außerdem neue Forschungswege zur Verwendung von Magnetfeldern zur Manipulation der Aktivierung von Zielgenen eröffnen.“
„Das gilt als heiliger Gral als experimentelles Werkzeug und möglicherweise schließlich für den klinischen Einsatz.“
Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.
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AA Bradlaugh et al. Wesentliche Elemente der Radikalpaar-Magnetosensitivität in Drosophila. Natur, online veröffentlicht am 22. Februar 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05735-z
