Caltech-bioloog Markus Meister betwist recent onderzoek dat beweert te hebben opgelost wat hij beschrijft als "het laatste echte mysterie van sensorische biologie" - het vermogen van dieren om magnetische velden te detecteren. Dit "magnetische zintuig" biedt een navigatiehulpmiddel voor een verscheidenheid aan organismen, inclusief vliegen, postduiven, mollen, en vleermuizen.

In drie afzonderlijke artikelen die verschijnen in tijdschriften die zijn gepubliceerd door de Nature Publishing Group, teams van onderzoekers van de Universiteit van Peking in Peking, de Universiteit van Virginia, en Rockefeller University in New York bouwen een wetenschappelijke casus, gebaseerd op het bestaan ​​van bepaalde met ijzer beladen eiwitmoleculen, voor hoe levende cellen kunnen worden beïnvloed door magnetische velden. Indien correct, deze bevindingen zouden helpen verklaren hoe dieren magnetisme voelen en hoe cellulaire functies op een dag kunnen worden gecontroleerd met behulp van magnetische velden.

Een belangrijke eigenschap van ijzer is dat het gemagnetiseerd kan worden zoals de naald op een kompas. Omdat de beschreven eiwitten zoveel ijzer bevatten, het argument gaat, ze zouden worden beïnvloed door het magnetische veld van de aarde, het verschaffen van een mechanisme waardoor organismen dat veld konden voelen.

Het probleem, zegt Meester, Anne P. en Benjamin F. Biaggini Hoogleraar Biologische Wetenschappen, is dat elk van de eiwitten die worden beschreven in het trio van Nature-papers niet genoeg ijzer bevat om door magnetische velden te worden beïnvloed.

"We hebben het over een verschil van vijf tot tien ordes van grootte. De hoeveelheid ijzer in de moleculen komt niet eens in de buurt van voldoende, " zegt Meester, die zijn analyse van de drie onderzoeken bespreekt in een paper gepubliceerd door het tijdschrift eLife. Dat verschil is enorm. Meister vergelijkt het met de bewering dat hij een elektrische auto heeft gebouwd die een jaar kan werken - op een enkele AA-batterij.

Na de kwestie te hebben opgemerkt, Meister checkte in met collega's in het veld, waaronder Joseph Kirschvink (BS, MS '75), Nico en Marilyn Van Wingen Hoogleraar Geobiologie bij Caltech, die bekend staat om zijn werk aan magnetoreceptie op basis van magnetiet (Fe ₃ O ₄ ), een ferromagnetisch ijzererts. In 2001, Kirschvink heeft bewijs gepubliceerd dat magnetietkristallen bij dieren een rol kunnen spelen bij de magnetische gevoeligheid van dieren. Kirschvink was het eens met de analyse van Meister. "Markus is perfect, ', zegt Kirschvink.

In een van de kranten gepubliceerd in Natuurmaterialen in november 2015, een groep onder leiding van Siying Qin van de Universiteit van Peking meldt de ontdekking van een ijzerrijk staafachtig eiwitcomplex in de ogen van de fruitvlieg Drosophila dat, de auteurs zeggen, zou de bron kunnen zijn van de magnetoreceptie van de vlieg. Ze noemden het complex MagR, voor magnetoreceptoreiwit.

MagR bevat 40 ijzeratomen. Deze ijzeratomen, de onderzoekers van de Universiteit van Peking zeggen:zorgen voor voldoende magnetisch moment (beweging in reactie op een magnetisch veld) dat ongeveer 45 procent van de geïsoleerde eiwitten oriënteert met hun lange as langs het aardmagnetische veld. Met andere woorden, het artikel suggereert dat de eiwitten zich afstemmen op het magnetische veld van de aarde, zodat ze naar het magnetische noorden wijzen zoals de naald op een kompas.

Echter, Meister zegt dat de eiwitten eigenlijk niet genoeg ijzer bevatten om gevoelig te zijn voor magnetische velden.

De kleinste ijzerdeeltjes waarvan bekend is dat ze een permanent magnetisch moment hebben bij kamertemperatuur zijn kristallen van Fe ₃ O ₄ , die ongeveer 30 nanometer groot zijn. Elk kristal bevat ongeveer 1 miljoen dicht opeengepakte ijzeratomen. Dat betekent dat zelfs als alle 40 ijzeratomen in een MagR-eiwit op de een of andere manier met elkaar kunnen verbinden en als een enkele eenheid kunnen werken, het resulterende magnetische moment van het eiwit zou bij kamertemperatuur nog steeds te klein zijn om uit te lijnen met het aardmagnetische veld van de aarde. Magnetisme is opgesloten in een strijd tegen de chaos-inducerende energie van warmte, die werkt om de oriëntatie van het eiwitcomplex willekeurig te maken. Dit thermische effect is ongeveer vijf ordes van grootte sterker dan enige magnetische aantrekkingskracht op de 40 ijzeratomen.

"Dit is fysica van achteren, ' zegt Meester.

De andere twee papieren - een in Natuur Neurowetenschap door Michael Wheeler van de Universiteit van Virginia en één in Natuurgeneeskunde door Sarah Stanley van de Rockefeller University - onderzoek naar de mogelijkheid van technische mechanismen die ijzeratomen in cellen zouden gebruiken om ionenkanalen te regelen.

Ionenkanalen zijn poorten in celmembranen die de doorgang van ionen door het membraan mogelijk maken, dus het verzenden van signalen in en uit de cel. Deze signalen regelen cellulaire functies. Bijvoorbeeld, ionkanalen in zenuwcellen kunnen pijnsignalen doorgeven. Selectief kunnen openen en sluiten van ionenkanalen met magnetische velden, in plaats van met medicijnen, zou clinici een minimaal invasieve techniek bieden om cellen te controleren, bijvoorbeeld pijnbestrijding zonder het gebruik van geneesmiddelen.

De bevindingen van zowel Wheeler als Stanley hangen af ​​van het gebruik van ferritine, een holle eiwitschil die, eerder onderzoek heeft uitgewezen, kan worden verpakt met ijzer. (De meeste organismen produceren van nature ferritine om ijzer op te slaan, wat giftig is als het vrij door de cellen zweeft.) Beide groepen bevestigden een ferritinekogel aan een ionkanaal dat zich in het celmembraan bevindt, met als doel een mechanisme te creëren voor het openen of sluiten van het kanaal door de bal te manipuleren met magnetische velden. Wheeler stelde voor om fysiek aan de ferritinebal te trekken met een magnetisch veld, terwijl Stanley een magnetisch veld gebruikte om het ferritine te verwarmen en het openen en sluiten van het aangehechte ionkanaal te activeren.

Geen van beide regelingen kan mogelijk werken, zegt meester.

Inderdaad, De berekeningen van Meister laten zien dat ferritine in vele ordes van grootte te klein is om door magnetische velden te worden beïnvloed. "In beide gevallen, men kan de keuze voor ferritine de schuld geven, " zegt Meister. Aangezien ferritine geen permanent magnetisch moment heeft, magnetische velden werken er slechts zwak mee samen. "Als de gerapporteerde effecten echt zijn opgetreden zoals beschreven, ze hebben waarschijnlijk niets met ferritine te maken."

Echter, hij stelt voor, er kan een haalbare route zijn om de ionkanaalfunctie in cellen te regelen met behulp van veel grotere magnetische deeltjes, zoals die gevonden worden in bepaalde magnetische bacteriën.

Hoewel misstappen in de wetenschap veel voorkomen en zelfs deel uitmaken van het wetenschappelijke proces - vandaar de noodzaak van peer-review voor artikelen - maakt Meister zich zorgen dat deze aankondigingen andere wetenschappers zouden kunnen ontmoedigen om te proberen de oorzaken van magnetisme in biologische contexten te begrijpen.

"Het is alsof de koperen ring al is weggerukt, " zegt Meister. "Het is maar al te gemakkelijk voor iemand om daar naar te kijken en te denken, 'Okee, Ik neem aan dat dat beantwoord is. Ik zal proberen een ander probleem aan te pakken, dan.'"

Meisters paper is getiteld "Physical Limits to Magnetogenetics".