Цинк в природном происхождении

Ученые, использующие усовершенствованный источник фотонов, показывают, как «цинковые искры» — поток ионов цинка, выделяемых яйцами млекопитающих сразу после оплодотворения, — также возникает в яйцах амфибий.

Пять лет назад исследователи из Северо-Западного университета попали в заголовки международных новостей, когда они обнаружили, что человеческие яйца при оплодотворении спермой выделяют миллиарды ионов цинка, получивших название «цинковые искры».

Яйца лягушек, подобные тем, что изображены здесь, выделяют цинк при оплодотворении, как и яйца млекопитающих. Предоставлено: Изображение Теро Лааксо / под лицензией CC BY-SA 2.0.

Теперь Northwestern объединилась с Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE) и Университетом штата Мичиган (MSU), чтобы выявить, что эти же искры вылетают из узкоспециализированных металлических отсеков на поверхности яйца при оплодотворении яиц лягушки. Это означает, что ранняя химия зачатия имеет эволюционные корни, уходящие по крайней мере 300 миллионов лет назад, к последнему общему предку между лягушками и людьми.

• «Эта работа может помочь нам понять взаимосвязь содержания цинка в пище и фертильности человека». — Томас О’Халлоран, профессор Мичиганского государственного университета.
• И это исследование имеет значение, выходящее за рамки общей биологии и глубоко укоренившейся истории. Это также может помочь сформировать будущие выводы о том, как металлы влияют на самые ранние этапы человеческого развития.
• «Эта работа может помочь нам понять взаимосвязь диетического содержания цинка и фертильности человека», — сказал Томас О’Халлоран, старший автор исследовательской статьи, опубликованной 21 июня 2021 года в журнале Nature Chemistry .

О’Халлоран участвовал в открытии оригинальной цинковой искры в Северо-Западном университете, а в начале этого года он присоединился к штату Мичиган в качестве профессора микробиологии, молекулярной генетики и химии. О’Халлоран был основателем Северо-Западного института химии жизненных процессов ( CLP) и остается его членом.

Выделение марганца в яйцах лягушки

Команда также обнаружила, что оплодотворенные яйца лягушки выделяют еще один металл, марганец, помимо цинка. Похоже, что эти выброшенные ионы марганца сталкиваются со спермой, окружающей оплодотворенную яйцеклетку, и препятствуют их проникновению.

«Эти открытия подтверждают складывающуюся картину того, что переходные металлы используются клетками для регулирования некоторых из самых ранних решений в жизни организма», — сказал О’Халлоран.

Чтобы сделать эти открытия, команде потребовался доступ к некоторым из самых мощных микроскопов в мире, а также опыт, охватывающий химию, биологию и физику рентгеновских лучей. В эту уникальную комбинацию вошли сотрудники Центра количественного картирования элементов для наук о жизни, или QE-Map, междисциплинарного исследовательского центра, финансируемого Национальными институтами здравоохранения при МГУ, и Северо-западного научного центра CLP . Исследование в значительной степени опиралось на инструменты и опыт, имеющиеся в Аргонне.

Исследовательская группа привезла в Аргонн для анализа срезы яиц и эмбрионов лягушек.

Используя рентгеновскую и электронную микроскопию, исследователи определили идентичность, концентрацию и внутриклеточное распределение металлов как до, так и после оплодотворения.

Рентгеновская флуоресцентная микроскопия была проведена на канале 2 -ID-D усовершенствованного источника фотонов (APS ), лаборатории Министерства энергетики США в Аргонне. Барри Лай, руководитель группы в Аргонне и автор статьи, сказал, что рентгеновский анализ количественно определил количество цинка, марганца и других металлов, сконцентрированных в небольших карманах вокруг внешнего слоя яиц. Они обнаружили, что эти карманы содержали в 30 раз больше марганца, чем остальные яйца, и в 10 раз больше цинка.

«Мы можем провести этот анализ из-за элементарной чувствительности пучка», — сказал Лай. « На самом деле, это настолько чувствительно, что существенно более низкие концентрации могут быть измерены».

Результаты сканирования

Дополнительное сканирование было проведено с использованием просвечивающей электронной микроскопии в Центре наноразмерных материалов ( CNM ), учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики в Аргонне. Дальнейший анализ был выполнен на отдельном прототипе сканирующего просвечивающего электронного микроскопа, который включает технологию, разработанную старшим научным сотрудником Аргонны Нестором Залузеком, автором статьи. Эти сканы были выполнены в меньших масштабах — вплоть до нескольких нанометров, около 100, 000 раз меньше , чем ширина волоса человека — но обнаружили те же результаты: высокие концентрации металлов в карманах вокруг наружного слоя.

И рентгеновская, и электронная микроскопия показали, что металлы в этих карманах почти полностью высвобождались после оплодотворения.

«У Аргонна есть инструменты, необходимые для исследования этих биологических образцов в таких масштабах, не разрушая их рентгеновскими лучами или электронами», — сказал Залузец. «Это сочетание правильных ресурсов и правого опыта».

АПС в процессе прохождения массивное обновление, то, что будет увеличивать яркость его рентгеновских пучков вплоть до 500 раз. Лай сказал, что обновленный APS может выполнять эти сканирования намного быстрее или с более высоким пространственным разрешением. По словам Лая, то, что на это исследование потребовалось более часа, можно сделать менее чем за одну минуту после обновления.

«Мы часто думаем о генах как о ключевых регулирующих факторах, но наша работа показала, что такие атомы, как цинк и марганец, имеют решающее значение для первых шагов в развитии после оплодотворения», — сказала проректор МГУ Тереза К. Вудрафф, доктор философии, еще один старший автор. на бумаге.

Вудрафф, профессор фонда МГУ и бывший член CLP , также был лидером северо-западной группы, которая пять лет назад обнаружила цинковые искры. С открытием искр марганца у африканских когтистых лягушек или Xenopus laevis, команда взволнована вопросом, выделяется ли этот элемент яйцами человека при оплодотворении.

«Эти открытия могли сделать только междисциплинарные группы, бесстрашно изучавшие фундаментальные шаги», — сказала она. « Рабочие по дисциплинам в буквальном крае технологии является одним из самых глубоких способов новые открытия происходят».

«Xenopus — идеальная система для таких исследований, потому что их яйца на порядок больше, чем яйца человека или мыши, и доступны в большом количестве», — сказала Кэрол Лабонн, другой старший автор исследования, член CLP и председатель Отдел молекулярных биологических наук Северо-Западного. «Обнаружение цинка и марганца искр является захватывающим, и предполагает, могут существовать и другие основные роли сигнализации для этих переходных металлов».

Источник

Метки: Биохимия