五年前，西北大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)人類卵子在受精時會釋放出數(shù)十億個鋅離子，這被稱為“鋅火花”，從而成為國際頭條新聞。

現(xiàn)在，西北大學(xué)與能源部 (DOE) 的阿貢國家實(shí)驗室和密歇根州立大學(xué) (MSU) 合作，揭示了當(dāng)青蛙卵受精時，這些相同的火花從卵表面的高度專業(yè)化的金屬裝載隔間中飛出。這意味著受孕的早期化學(xué)具有至少可以追溯到 3 億年前的進(jìn)化根源，直到青蛙和人類之間的最后一個共同祖先。

這項研究的意義超出了這種共同的生物學(xué)和根深蒂固的歷史。它還可以幫助塑造關(guān)于金屬如何影響人類發(fā)展最早時刻的未來發(fā)現(xiàn)。

“這項工作可能有助于我們了解膳食鋅狀態(tài)和人類生育能力之間的相互作用，”該研究論文的資深作者 Thomas O'Halloran 說，他于 6 月 21 日發(fā)表在《自然化學(xué)》雜志上。

O'Halloran 是西北大學(xué)最初發(fā)現(xiàn)鋅火花的一部分，今年早些時候，他加入密歇根州立大學(xué)，擔(dān)任微生物學(xué)、分子遺傳學(xué)和化學(xué)基礎(chǔ)教授。O'Halloran 是西北大學(xué)生命過程化學(xué)研究所 (CLP) 的創(chuàng)始人，并且仍然是成員。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，受精的青蛙卵除了鋅之外還會排出另一種金屬錳。這些排出的錳離子似乎與受精卵周圍的精子發(fā)生碰撞并阻止它們進(jìn)入。

O'Halloran 說：“這些突破支持了一個新的畫面，即細(xì)胞使用過渡金屬來調(diào)節(jié)生物體生命中一些最早的決定。”

為了實(shí)現(xiàn)這些發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊需要使用一些世界上最強(qiáng)大的顯微鏡以及跨越化學(xué)、生物學(xué)和 X 射線物理學(xué)的專業(yè)知識。這種獨(dú)特的組合包括生命科學(xué)定量元素映射中心或QE-Map 的合作者，QE-Map是國立衛(wèi)生研究院資助的跨學(xué)科研究中心，位于密歇根州立大學(xué)和西北大學(xué)的 CLP。這項研究在很大程度上依賴于 Argonne 可用的工具和專業(yè)知識。

研究小組將青蛙卵和胚胎的切片帶到阿貢進(jìn)行分析。研究人員使用 X 射線和電子顯微鏡，確定了受精前后金屬的特性、濃度和細(xì)胞內(nèi)分布。

X 射線熒光顯微鏡是在先進(jìn)光子源 (APS) 的光束線 2-ID-D 上進(jìn)行的，APS 是位于阿貢的能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。Argonne 小組負(fù)責(zé)人、該論文的作者 Barry Lai 說，X 射線分析量化了雞蛋外層周圍小口袋中鋅、錳和其他金屬的含量。他們發(fā)現(xiàn)這些口袋中的錳含量是其他雞蛋的 30 多倍，鋅含量是其他雞蛋的 10 倍。

“由于光束線的元素敏感性，我們能夠進(jìn)行這種分析，”賴說。“事實(shí)上，它是如此敏感，以至于可以測量到低得多的濃度。”

補(bǔ)充掃描是在納米材料中心 (CNM) 使用透射電子顯微鏡進(jìn)行的，該中心是位于阿貢的能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。進(jìn)一步的分析是在一個單獨(dú)的原型掃描透射電子顯微鏡上進(jìn)行的，該顯微鏡包括由阿貢高級科學(xué)家 Nestor Zaluzec 開發(fā)的技術(shù)，他是該論文的作者。這些掃描是在更小的尺度上進(jìn)行的——低至幾納米，比人類頭發(fā)的寬度小約 100,000 倍——但發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)果：外層周圍的口袋里有高濃度的金屬。

X 射線和電子顯微鏡均顯示這些口袋中的金屬在受精后幾乎完全釋放。

“阿貢擁有必要的工具來在這些尺度上檢查這些生物樣本，而無需用 X 射線或電子破壞它們，”Zaluzec 說。“這是正確資源和正確專業(yè)知識的結(jié)合。”

APS 正在進(jìn)行大規(guī)模升級，將其 X 射線束的亮度提高多達(dá) 500 倍。賴說，升級后的 APS 可以更快地或以更高的空間分辨率完成這些掃描。賴說，升級后不到一分鐘就可以完成這項研究需要一個多小時的工作。

另一位資深作者、密歇根州立大學(xué)教務(wù)長 Teresa K. Woodruff 博士說：“我們經(jīng)常將基因視為關(guān)鍵的調(diào)節(jié)因素，但我們的研究表明，鋅和錳等原子對受精后發(fā)育的第一步至關(guān)重要。”在紙上。

伍德拉夫是密歇根州立大學(xué)基金會教授、前中電成員，也是五年前發(fā)現(xiàn)鋅火花的西北大學(xué)團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人。隨著在非洲爪蛙或非洲爪蟾中發(fā)現(xiàn)錳火花，該團(tuán)隊很高興探索人類卵子在受精時是否會釋放這種元素。

“這些發(fā)現(xiàn)只能由跨學(xué)科團(tuán)體做出，他們無所畏懼地研究基本步驟，”她說。“在技術(shù)的字面邊緣跨學(xué)科工作是產(chǎn)生新發(fā)現(xiàn)的最深刻的方式之一。”

“非洲爪蟾是此類研究的完美系統(tǒng)，因為它們的卵比人類或小鼠的卵大一個數(shù)量級，并且可以大量獲取，”該研究的另一位資深作者、CLP 成員和系主任 Carole LaBonne 說西北大學(xué)分子生物科學(xué)學(xué)院。“鋅和錳火花的發(fā)現(xiàn)令人興奮，并表明這些過渡金屬可能還有其他基本的信號作用。”