锌火花——一场酝酿了3亿年的生物烟花表演
像图中所示的青蛙卵在受精时会释放锌，就像哺乳动物的卵一样。图片来源：Tero Laakso/CC BY-SA 2.0 许可
使用高级光子源的科学家展示了“锌火花”——哺乳动物卵在受精后立即释放的锌离子阵雨——也发生在两栖动物卵中。
五年前，西北大学的研究人员发现人类卵子在受精后会释放出数十亿个被称为“锌火花”的锌离子，从而成为国际头条新闻。
现在，西北大学与美国能源部 (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高度专业化的金属装载隔间飞出。这意味着早期受孕化学的进化根源可以追溯到至少 3 亿年前，即青蛙和人类之间的最后一个共同祖先。
发现：徕卡显微镜下的阳沙之美
“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。” — Thomas O'Halloran，密歇根州立大学教授
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。它还可以帮助塑造未来关于金属如何影响人类发展初期的研究结果。
2021 年 6 月 21 日发表在《自然化学》杂志上的研究论文的高级作者 Thomas O'Halloran 说： “这项工作可能有助于我们了解膳食锌状况和人类生育能力之间的相互作用。 ”
O'Halloran 是西北大学最初发现锌火花的一部分，今年早些时候，他加入了密歇根州立大学，担任微生物学、分子遗传学和化学的基础教授。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，还会喷出另一种金属锰。这些喷射出来的锰离子似乎与受精卵周围的精子发生碰撞，阻止它们进入。
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“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的一些最早的决定，”O'Halloran 说。
为了取得这些发现，该团队需要使用世界上一些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，这是MSU和西北大学CLP的跨学科国立卫生研究院资助的研究中心。该研究在很大程度上依赖于 Argonne 提供的工具和专业知识。
研究小组将部分青蛙卵和胚胎带到阿贡进行分析。利用 X 射线和电子显微镜，研究人员确定了受精前后金属的特性、浓度和细胞内分布。
X 射线荧光显微镜在先进光子源 ( APS )的光束线2 -ID-D上进行，这是美国能源部位于阿贡的科学用户设施办公室。Argonne 小组负责人、该论文的作者 Barry Lai 表示，X 射线分析量化了集中在鸡蛋外层周围小口袋中的锌、锰和其他金属的数量。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倍以上。
“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，它非常敏感，可以测量到低得多的浓度。”
互补扫描是在纳米材料中心 ( CNM ) 的透射电子显微镜下进行的，该中心是位于阿贡的美国能源部科学用户设施办公室。进一步分析是在一个单独的原型扫描透射电子显微镜上进行的，该显微镜包括该论文的作者阿贡高级科学家 Nestor Zaluzec 开发的技术。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大约100倍，000倍——但发现了相同的结果：外层周围的口袋中金属浓度很高。
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。
“ Argonne 拥有必要的工具，可以在这些尺度上检查这些生物样本，而不会用 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，其 X 射线束的亮度将提高多达500倍。赖说，升级后的APS可以更快地完成这些扫描，或者空间分辨率更高。赖说，这项研究需要一个多小时才能在升级后不到一分钟内完成。
“我们经常认为基因是关键的调节因素，但我们的工作表明，锌和锰等原子对于受精后发育的第一步至关重要，”另一位资深作者、密歇根州立大学教务长 Teresa K. Woodruff 博士说在纸上。
伍德拉夫是密歇根州立大学基金会教授、前CLP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小组做出，无所畏惧地研究基本步骤，”她说。“在技术的字面上跨学科工作是新发现发生的最深刻的方式之一。”
“非洲爪蟾是此类研究的完美系统，因为它们的卵子比人类或小鼠卵子大一个数量级，并且可以大量获取，”该研究的另一位资深作者、CLP成员和主席Carole LaBonne 说西北大学分子生物科学系。 “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。”