Biologisk fyrværkeri viser 300 millioner år undervejs

Fem år siden, forskere ved Northwestern University lavede internationale overskrifter, da de opdagede, at menneskelige æg, når den befrugtes af sædceller, frigive milliarder af zinkioner, kaldet "zinkgnister".

Nu, Northwestern har indgået et samarbejde med US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og Michigan State University (MSU) for at afsløre, at de samme gnister flyver fra højt specialiserede metalbelastede rum ved ægoverfladen, når frøæg befrugtes. Det betyder, at den tidlige opfattelseskemi har evolutionære rødder, der går mindst 300 millioner år tilbage, til den sidste fælles forfader mellem frøer og mennesker.

Og forskningen har konsekvenser ud over denne delte biologi og dybt rodfæstede historie. Det kan også hjælpe med at forme fremtidige fund om, hvordan metaller påvirker de tidligste øjeblikke i menneskelig udvikling.

"Dette arbejde kan hjælpe med at oplyse vores forståelse af samspillet mellem zinkstatus og menneskelig frugtbarhed, "sagde Thomas O'Halloran, seniorforfatteren af ​​forskningsartiklen offentliggjort 21. juni i tidsskriftet Naturkemi .

O'Halloran var en del af den originale zink gnistfund i Northwestern og, tidligere i år, han sluttede sig til Michigan State som en grundlæggende professor i mikrobiologi og molekylær genetik og kemi. O'Halloran var grundlæggeren af ​​Northwestern's Chemistry of Life Processes Institute, eller CLP, og forbliver medlem.

Teamet opdagede også, at befrugtede frøæg skubber et andet metal ud, mangan, foruden zink. Det ser ud til, at disse udstødte manganioner kolliderer med sæd, der omgiver det befrugtede æg og forhindrer dem i at komme ind.

"Disse gennembrud understøtter et nyt billede af, at overgangsmetaller bruges af celler til at regulere nogle af de tidligste beslutninger i en organismes liv, "Sagde O'Halloran.

For at gøre disse opdagelser, teamet havde brug for adgang til nogle af de mest kraftfulde mikroskoper i verden samt ekspertise, der spænder over kemi, biologi og røntgenfysik. Den unikke kombination omfattede samarbejdspartnere på Center for kvantitativ elementkortlægning for biovidenskaberne, eller QE-Map, et tværfagligt nationalt institut for sundhedsfinansieret forskningscentrum på MSU og Northwestern's CLP. Forskningen var stærkt afhængig af de værktøjer og ekspertise, der var til rådighed på Argonne.

Forskergruppen bragte dele af frøæg og embryoner til Argonne til analyse. Ved hjælp af både røntgen- og elektronmikroskopi, forskerne bestemte identiteten, koncentrationer og intracellulære fordelinger af metaller både før og efter befrugtning.

Røntgenfluorescensmikroskopi blev udført ved beamline 2-ID-D i Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility i Argonne. Barry Lai, gruppeleder i Argonne og en forfatter på papiret, sagde, at røntgenanalysen kvantificerede mængden af ​​zink, mangan og andre metaller koncentreret i små lommer omkring æggets ydre lag. De fandt disse lommer indeholdt mere end 30 gange mangan som resten af ​​æggene, og 10 gange zink.

"Vi er i stand til at foretage denne analyse på grund af strålelinjens elementære følsomhed, "Sagde Lai." Faktisk Det er så følsomt, at væsentligt lavere koncentrationer kan måles. "

Supplerende scanninger blev udført ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi ved Center for Nanoskala Materialer (CNM), en DOE Office of Science User Facility i Argonne. Yderligere analyse blev udført på et separat prototype scanningstransmissionselektronmikroskop, der inkluderer teknologi udviklet af Argonne Seniorforsker Nestor Zaluzec, en forfatter på papiret. Disse scanninger blev udført på mindre skalaer - ned til et par nanometer, omkring 100, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår - men fandt de samme resultater:høje koncentrationer af metaller i lommer omkring det ydre lag.

Både røntgen- og elektronmikroskopi viste, at metallerne i disse lommer blev frigivet næsten fuldstændigt efter befrugtning.

"Argonne har de nødvendige værktøjer til at undersøge disse biologiske prøver på disse skalaer uden at ødelægge dem med røntgenstråler eller elektroner, "Zaluzec sagde." Det er en kombination af de rigtige ressourcer og den rigtige ekspertise. "

APS er i gang med at gennemgå en massiv opgradering, en, der vil øge lysstyrken på sine røntgenstråler med op til 500 gange. Lai sagde, at en opgraderet APS kunne gennemføre disse scanninger meget hurtigere eller med højere rumlig opløsning. Hvad der tog mere end en time for denne undersøgelse, kunne udføres på mindre end et minut efter opgraderingen, Sagde Lai.

"Vi tænker ofte på gener som centrale regulerende faktorer, men vores arbejde har vist, at atomer som zink og mangan er afgørende for de første trin i udviklingen efter befrugtning, "sagde MSU -prost Teresa K. Woodruff, Ph.d., en anden seniorforfatter på papiret.

Woodruff, en MSU foundation professor og tidligere medlem af CLP, var også leder af det nordvestlige team, der opdagede zinkgnister for fem år siden. Med opdagelsen af ​​mangan gnister i afrikanske klofrøer, eller Xenopus laevis, holdet er spændte på at undersøge, om elementet frigives af menneskelige æg, når det befrugtes.

"Disse opdagelser kunne kun foretages af tværfaglige grupper, frygtløst kigger på grundlæggende trin, "sagde hun." At arbejde på tværs af discipliner på teknologiens bogstavelige kant er en af ​​de mest dybtgående måder, nye opdagelser finder sted på. "

"Xenopus er et perfekt system til sådanne undersøgelser, fordi deres æg er en størrelsesorden større end mennesker eller musæg, og er tilgængelige i stort antal "sagde Carole LaBonne, en anden seniorforfatter på undersøgelsen, CLP -medlem, og formand for Institut for Molekylær Biovidenskab i Northwestern. "Opdagelsen af ​​zink- og mangangnister er spændende, og antyder, at der kan være andre grundlæggende signalroller for disse overgangsmetaller. "