"锌和锰的火花" - 3亿年来一直在卵子受精时上演的生物烟花表演
现在，西北大学与美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和密歇根州立大学（MSU）合作，揭示出当青蛙卵子受精时，这些同样的火花从卵子表面的高度专门的金属负载区飞出。这意味着受孕的早期化学成分的进化根源至少可以追溯到3亿年前，即青蛙和人类之间的最后一个共同祖先。而且这项研究的影响超出了这种共同的生物学和根深蒂固的历史。它还可以帮助塑造未来关于金属如何影响人类发展的最早时刻的研究结果。
2021年6月21日发表在《自然-化学》杂志上的研究论文的资深作者Thomas O'Halloran说："这项工作可能有助于我们了解饮食中的锌状况和人类生育能力的相互作用。"
O'Halloran是西北大学最初的锌火花发现的一部分，今年早些时候，他加入密歇根州立大学，担任微生物学和分子遗传学及化学的基础教授。O'Halloran是西北大学生命过程化学研究所（简称CLP）的创始人，现在仍然是该研究所的成员。研究小组还发现，受精的蛙卵除了锌之外，还喷射出另一种金属：锰，这些喷出的锰离子与受精卵周围的精子发生了碰撞，并阻止它们进入。O'Halloran说："这些突破支持了一种新的情况，即过渡金属被细胞用来调节生物体生命中的一些最早的决定。"
为了做出这些发现，该团队需要使用世界上最强大的一些显微镜，以及跨越化学、生物学和X射线物理学的专业知识。这种独特的组合包括生命科学定量元素图谱中心的合作者，或称QE-Map，这是一个由美国国家卫生研究院资助的跨学科研究中心，位于MSU和西北大学的CLP。这项研究在很大程度上依赖于阿贡的工具和专业知识。研究小组将青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，研究人员确定了受精前后金属的特性、浓度和细胞内的分布。
研究人员在阿贡的美国能源部科学办公室用户设施--纳米级材料中心（CNM）使用透射电子显微镜进行了补充扫描。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。这些扫描是在更小的范围内进行的--小到几纳米，大约比人类头发的宽度小10万倍，但发现了同样的结果：在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，这些口袋里的金属在受精后几乎完全释放。
"我们通常认为基因是关键的调节因素，但我们的工作表明，像锌和锰这样的原子对受精后的第一步发育至关重要，"MSU教务长Teresa K. Woodruff博士说，他是该论文的另一位资深作者。Woodruff是MSU基金会的教授，也是CLP的前成员，也是五年前发现锌火花的西北团队的领导者。随着在非洲爪蛙（或称Xenopus laevis）身上发现了锰火花，该团队很高兴能探索人类卵子受精时是否会释放这种元素。
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："Xenopus是这种研究的完美系统，因为它们的卵比人类或小鼠的卵大一个数量级，而且可以大量获得。锌和锰火花的发现令人激动，并表明这些过渡金属可能还有其他基本的信号作用。"
