一场酝酿了三亿年的生物烟花秀

五年前，美国西北大学(Northwestern University)的研究人员发现，当人类卵子与精子受精时，会释放数十亿个锌离子，被称为“锌火花”，当时这一发现登上了国际新闻头条。

现在，西北大学与美国能源部阿贡国家实验室和密歇根州立大学合作，揭示了当蛙卵受精时，同样的火花从卵表面高度专业化的金属装载室中飞出。这意味着早期的化学概念可以追溯到至少3亿年前，追溯到蛙类和人类最后的共同祖先。

“这项研究可能有助于我们理解膳食锌含量与人类生育能力之间的相互作用。”——密歇根州立大学教授Thomas O'Halloran

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。它还可能有助于塑造未来的发现，即金属如何影响人类发展的最初阶段。

6月21日发表在《自然化学》(Nature Chemistry)杂志上的这篇论文的资深作者Thomas O’Halloran表示:“这项工作可能有助于我们了解膳食锌含量与人类生育能力的相互作用。”

O'Halloran参与了西北大学最初的锌火花发现，今年早些时候，他加入了密歇根州立大学，成为微生物学、分子遗传学和化学的基础教授。O'Halloran至今仍是西北大学化学生命过程研究所(CLp)的成员，他是该机构的创始人。

研究小组还发现，除锌外，受精卵还会排出另一种金属——锰。似乎这些喷射出来的锰离子与受精卵周围的精子发生碰撞，阻止了它们进入。

O'Halloran说:“这些突破支持了一种新的观点，即细胞利用过渡金属来调节生物体生命中一些最早的决定。”

为了做出这些发现，该团队需要使用世界上最强大的显微镜，以及横跨化学、生物学和X射线物理学的专业知识人才。恰巧，生命科学定量元素测绘中心(Quantitative Element Mapping for the Life Sciences，简称QE-Map)包含了他们所需的资源，该中心是国家卫生研究院资助密歇根州立大学和西北大学CLp成立的跨学科研究中心。这项研究在很大程度上依赖于阿贡可用的工具和专业知识。

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

X射线荧光显微观察是在先进光子源(ApS)的光束线2-ID-D上进行的，ApS位于阿贡的美国能源部科学用户设施办公室。阿贡大学的研究小组组长、论文作者Barry Lai说，X射线分析确定了锌、锰和其他金属的含量，这些金属集中在卵外层周围的小口袋里。他们发现这些卵袋中的锰含量比卵的其他部位高30多倍，锌含量是其他部位的10倍。

“我们能够做这样的分析是因为光束线的元素灵敏度，”Lai说。“事实上，它是如此敏感，以至于可以测量到相当低的浓度。”

补充扫描是在纳米尺度材料中心(CNM)使用透射电子显微镜进行的，CNM也位于阿贡的美国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，其中包括阿贡高级科学家Nestor Zaluzec开发的技术，他是该论文的作者之一。这些扫描在更小的尺度上进行——小到几纳米，大约是人类头发宽度的10万倍——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射线和电子显微镜都显示，受精后这些囊袋中的金属几乎完全释放。

Zaluzec说:“阿贡有必要的工具在不使用X射线或电子破坏它们的情况下检查这些生物样本。这是正确资源和正确专业知识的结合。”

ApS正在进行一次大规模的升级，将使其X射线束的亮度提高500倍。Lai表示，升级后的ApS可以更快地完成这些扫描，或具有更高的空间分辨率。Lai说，在这个研究中，成像过程花了一个多小时，升级后不到一分钟就可以完成了。

“我们通常认为基因是关键的调控因素，但我们的工作表明，像锌和锰这样的原子对受精后发育的第一步至关重要，”该论文的另一位资深作者、密歇根州立大学教务长Teresa K. Woodruff博士说。

Woodruff是密歇根州立大学的一名基金会教授，曾是CLp的成员，也是西北大学五年前发现锌火花团队的负责人。随着非洲爪蟾中发现锰火花，该团队对探索人类卵子受精时是否释放出这种元素感到兴奋。

她说:“这些发现只能由跨学科小组大胆地研究基本步骤来完成。在技术前沿开展跨学科研究是产生新发现的最深刻方式之一。”

该研究的另一位资深作者、CLp成员、西北大学分子生物科学系主任Carole LaBonne说:“爪蟾是这种研究的完美系统，因为它们的卵比人类或老鼠的卵大一个数量级，而且可以大量获取。锌和锰火花的发现是令人兴奋的，这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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阿贡纳米材料中心是美国能源部五个纳米尺度科学研究中心之一，由美国能源部科学办公室支持，主要用于纳米尺度跨学科研究的国家用户设施。

关于先进光子源

美国能源部科学办公室在阿贡国家实验室的先进光子源(ApS)是世界上最多产的x射线光源设施之一。ApS为材料科学、化学、凝聚态物理、生命和环境科学以及应用研究等领域的研究人员提供高亮度x射线束。这些X射线非常适合于材料和生物结构的探索;元素分布;化学态、磁态、电子态;还有一系列技术上重要的工程系统，从电池到喷油器。每年，超过5000名研究人员使用ApS发表了2000多篇论文，详细阐述了有影响力的发现，并比任何其他X射线光源研究设施的用户解决了更多重要的生物蛋白质结构。ApS的科学家和工程师创新技术，这是推进加速器和光源操作的核心。这包括产生被研究人员看重的极亮X射线的插入设备，将X射线聚焦到几纳米的透镜，最大限度地提高X射线与被研究样本相互作用的仪器，以及收集和管理ApS发现研究中产生的大量数据的软件。

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