生物烟花展示了3亿年的制作过程

五年前，西北大学的研究人员发现人类卵子在受精时会释放出数十亿个锌离子，这被称为“锌火花”，从而成为国际头条新闻。

现在，西北大学与能源部 (DOE) 的阿贡国家实验室和密歇根州立大学 (MSU) 合作，揭示了当青蛙卵受精时，这些相同的火花从卵表面的高度专业化的金属装载隔间中飞出。这意味着受孕的早期化学具有至少可以追溯到 3 亿年前的进化根源，直到青蛙和人类之间的最后一个共同祖先。

这项研究的意义超出了这种共同的生物学和根深蒂固的历史。它还可以帮助塑造关于金属如何影响人类发展最早时刻的未来发现。

“这项工作可能有助于我们了解膳食锌状态和人类生育能力之间的相互作用，”该研究论文的资深作者 Thomas O'Halloran 说，他于 6 月 21 日发表在《自然化学》杂志上。

O'Halloran 是西北大学最初发现锌火花的一部分，今年早些时候，他加入密歇根州立大学，担任微生物学、分子遗传学和化学基础教授。O'Halloran 是西北大学生命过程化学研究所 (CLP) 的创始人，并且仍然是成员。

研究小组还发现，受精的青蛙卵除了锌之外还会排出另一种金属锰。这些排出的锰离子似乎与受精卵周围的精子发生碰撞并阻止它们进入。

O'Halloran 说：“这些突破支持了一个新的画面，即细胞使用过渡金属来调节生物体生命中一些最早的决定。”

为了实现这些发现，该团队需要使用一些世界上最强大的显微镜以及跨越化学、生物学和 X 射线物理学的专业知识。这种独特的组合包括生命科学定量元素映射中心或QE-Map 的合作者，QE-Map是国立卫生研究院资助的跨学科研究中心，位于密歇根州立大学和西北大学的 CLP。这项研究在很大程度上依赖于 Argonne 可用的工具和专业知识。

研究小组将青蛙卵和胚胎的切片带到阿贡进行分析。研究人员使用 X 射线和电子显微镜，确定了受精前后金属的特性、浓度和细胞内分布。

X 射线荧光显微镜是在先进光子源 (APS) 的光束线 2-ID-D 上进行的，APS 是位于阿贡的能源部科学用户设施办公室。Argonne 小组负责人、该论文的作者 Barry Lai 说，X 射线分析量化了鸡蛋外层周围小口袋中锌、锰和其他金属的含量。他们发现这些口袋中的锰含量是其他鸡蛋的 30 多倍，锌含量是其他鸡蛋的 10 倍。

“由于光束线的元素敏感性，我们能够进行这种分析，”赖说。“事实上，它是如此敏感，以至于可以测量到低得多的浓度。”

补充扫描是在纳米材料中心 (CNM) 使用透射电子显微镜进行的，该中心是位于阿贡的能源部科学用户设施办公室。进一步的分析是在一个单独的原型扫描透射电子显微镜上进行的，该显微镜包括由阿贡高级科学家 Nestor Zaluzec 开发的技术，他是该论文的作者。这些扫描是在更小的尺度上进行的——低至几纳米，比人类头发的宽度小约 100,000 倍——但发现了相同的结果：外层周围的口袋里有高浓度的金属。

X 射线和电子显微镜均显示这些口袋中的金属在受精后几乎完全释放。

“阿贡拥有必要的工具来在这些尺度上检查这些生物样本，而无需用 X 射线或电子破坏它们，”Zaluzec 说。“这是正确资源和正确专业知识的结合。”

APS 正在进行大规模升级，将其 X 射线束的亮度提高多达 500 倍。赖说，升级后的 APS 可以更快地或以更高的空间分辨率完成这些扫描。赖说，升级后不到一分钟就可以完成这项研究需要一个多小时的工作。

另一位资深作者、密歇根州立大学教务长 Teresa K. Woodruff 博士说：“我们经常将基因视为关键的调节因素，但我们的研究表明，锌和锰等原子对受精后发育的第一步至关重要。”在纸上。

伍德拉夫是密歇根州立大学基金会教授、前中电成员，也是五年前发现锌火花的西北大学团队的负责人。随着在非洲爪蛙或非洲爪蟾中发现锰火花，该团队很高兴探索人类卵子在受精时是否会释放这种元素。

“这些发现只能由跨学科团体做出，他们无所畏惧地研究基本步骤，”她说。“在技术的字面边缘跨学科工作是产生新发现的最深刻的方式之一。”

“非洲爪蟾是此类研究的完美系统，因为它们的卵比人类或小鼠的卵大一个数量级，并且可以大量获取，”该研究的另一位资深作者、CLP 成员和系主任 Carole LaBonne 说西北大学分子生物科学学院。“锌和锰火花的发现令人兴奋，并表明这些过渡金属可能还有其他基本的信号作用。”

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