Vijf jaar geleden, onderzoekers van de Northwestern University haalden internationale krantenkoppen toen ze ontdekten dat menselijke eieren, wanneer bevrucht door sperma, miljarden zinkionen afgeven, "zinkvonken" genoemd.

Nutsvoorzieningen, Northwestern heeft samengewerkt met het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Michigan State University (MSU) om te onthullen dat dezelfde vonken uit zeer gespecialiseerde met metaal beladen compartimenten aan het ei-oppervlak vliegen wanneer kikkereieren worden bevrucht. Dit betekent dat de vroege chemie van conceptie evolutionaire wortels heeft die minstens 300 miljoen jaar teruggaan, tot de laatste gemeenschappelijke voorouder tussen kikkers en mensen.

En het onderzoek heeft implicaties die verder gaan dan deze gedeelde biologie en diepgewortelde geschiedenis. Het kan ook helpen bij het vormgeven van toekomstige bevindingen over hoe metalen de vroegste momenten in de menselijke ontwikkeling beïnvloeden.

"Dit werk kan ons helpen om inzicht te krijgen in het samenspel van de zinkstatus in de voeding en de menselijke vruchtbaarheid, " zei Thomas O'Halloran, de senior auteur van de onderzoekspaper gepubliceerd op 21 juni in het tijdschrift Natuurchemie .

O'Halloran maakte deel uit van de oorspronkelijke ontdekking van zinkvonken in Northwestern en, eerder dit jaar, hij trad toe tot Michigan State als een stichtingshoogleraar microbiologie en moleculaire genetica en chemie. O'Halloran was de oprichter van Northwestern's Chemistry of Life Processes Institute, of CLP, en blijft lid.

Het team ontdekte ook dat bevruchte kikkereieren een ander metaal uitstoten, mangaan, naast zink. Het lijkt erop dat deze uitgestoten mangaanionen botsen met sperma rond de bevruchte eicel en voorkomen dat ze binnenkomen.

"Deze doorbraken ondersteunen een opkomend beeld dat overgangsmetalen door cellen worden gebruikt om enkele van de vroegste beslissingen in het leven van een organisme te reguleren, ' zei O'Halloran.

Om deze ontdekkingen te doen, het team had toegang nodig tot enkele van de krachtigste microscopen ter wereld, evenals expertise die de chemie omvatte, biologie en röntgenfysica. Die unieke combinatie omvatte medewerkers van het Center for Quantitative Element Mapping for the Life Sciences, of QE-kaart, een interdisciplinair door de National Institutes of Health gefinancierd onderzoekscentrum bij MSU en Northwestern's CLP. Het onderzoek leunde sterk op de tools en expertise van Argonne.

Het onderzoeksteam bracht secties van kikkereieren en embryo's naar Argonne voor analyse. Met behulp van zowel röntgen- als elektronenmicroscopie, de onderzoekers bepaalden de identiteit, concentraties en intracellulaire distributies van metalen zowel voor als na de bevruchting.

Röntgenfluorescentiemicroscopie werd uitgevoerd bij bundellijn 2-ID-D van de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science User Facility in Argonne. Barry Lai, groepsleider bij Argonne en een auteur op de krant, zei dat de röntgenanalyse de hoeveelheid zink kwantificeerde, mangaan en andere metalen zijn geconcentreerd in kleine zakjes rond de buitenste laag van de eieren. Ze ontdekten dat deze zakken meer dan 30 keer zoveel mangaan bevatten als de rest van de eieren. en 10 keer het zink.

"We zijn in staat om deze analyse te doen vanwege de elementaire gevoeligheid van de bundellijn, " zei Lai. "In feite, het is zo gevoelig dat aanzienlijk lagere concentraties kunnen worden gemeten."

Aanvullende scans werden uitgevoerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie in het Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science User Facility in Argonne. Verdere analyse werd uitgevoerd op een afzonderlijk prototype scanning transmissie-elektronenmicroscoop die technologie bevat die is ontwikkeld door Argonne Senior Scientist Nestor Zaluzec, een auteur op papier. Deze scans werden uitgevoerd op kleinere schaal - tot enkele nanometers, ongeveer 100, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar, maar vond dezelfde resultaten:hoge concentraties metalen in de zakken rond de buitenste laag.

Zowel röntgen- als elektronenmicroscopie toonde aan dat de metalen in deze pockets na de bevruchting bijna volledig vrijkwamen.

"Argonne heeft de instrumenten die nodig zijn om deze biologische monsters op deze schaal te onderzoeken zonder ze te vernietigen met röntgenstralen of elektronen, "Zei Zaluzec. "Het is een combinatie van de juiste middelen en de juiste expertise."

De APS ondergaat momenteel een enorme upgrade, een die de helderheid van zijn röntgenstralen tot 500 keer zal verhogen. Lai zei dat een geüpgraded APS deze scans veel sneller of met een hogere ruimtelijke resolutie zou kunnen voltooien. Wat meer dan een uur kostte voor dit onderzoek, kon in minder dan een minuut na de upgrade worden gedaan, zei Lay.

"We denken vaak aan genen als belangrijke regulerende factoren, maar ons werk heeft aangetoond dat atomen zoals zink en mangaan cruciaal zijn voor de eerste stappen in ontwikkeling na bevruchting, " zei MSU Provost Teresa K. Woodruff, doctoraat, een andere senior auteur op het papier.

Woodruff, een MSU-stichtingshoogleraar en voormalig lid van CLP, was ook een leider van het Northwestern-team dat vijf jaar geleden zinkvonken ontdekte. Met de ontdekking van mangaanvonken in Afrikaanse klauwkikkers, of Xenopus laevis, het team is enthousiast om te onderzoeken of het element wordt vrijgegeven door menselijke eieren wanneer het wordt bevrucht.

"Deze ontdekkingen konden alleen worden gedaan door interdisciplinaire groepen, onbevreesd kijken naar fundamentele stappen, "Zei ze. "Het werken in verschillende disciplines aan de letterlijke rand van technologie is een van de meest diepgaande manieren waarop nieuwe ontdekkingen plaatsvinden."

"Xenopus is een perfect systeem voor dergelijke studies omdat hun eieren een orde van grootte groter zijn dan die van mensen of muizen, en zijn in grote aantallen toegankelijk", aldus Carole LaBonne, een andere senior auteur van de studie, CLP-lid, en voorzitter van de afdeling Moleculaire Biowetenschappen aan de Northwestern. "De ontdekking van zink- en mangaanvonken is opwindend, en suggereert dat er mogelijk andere fundamentele signaleringsrollen zijn voor deze overgangsmetalen."