Fem år sedan, forskare vid Northwestern University gjorde internationella rubriker när de upptäckte att mänskliga ägg, vid befruktning av spermier, släpp ut miljarder zinkjoner, kallad "zinkgnistor".

Nu, Northwestern har samarbetat med US Department of Energy (DOE) Argonne National Laboratory och Michigan State University (MSU) för att avslöja att samma gnistor flyger från högspecialiserade metallladdade fack vid äggytan när grodägg ägg befruktas. Detta innebär att befruktningens tidiga kemi har evolutionära rötter som går tillbaka minst 300 miljoner år, till den sista gemensamma förfadern mellan grodor och människor.

Och forskningen har konsekvenser utöver denna delade biologi och djupt rotade historia. Det kan också hjälpa till att forma framtida fynd om hur metaller påverkar de tidigaste stunderna i mänsklig utveckling.

"Detta arbete kan hjälpa oss att förstå vår förståelse av samspelet mellan zinkstatus och mänsklig fertilitet, "sade Thomas O'Halloran, seniorförfattaren till forskningsrapporten publicerad 21 juni i tidningen Naturkemi .

O'Halloran var en del av den ursprungliga zinkgnistfyndigheten i Northwestern och, tidigare i år, han gick med i Michigan State som en grundläggande professor i mikrobiologi och molekylär genetik och kemi. O'Halloran var grundaren av Northwestern's Chemistry of Life Processes Institute, eller CLP, och förblir medlem.

Teamet upptäckte också att befruktade grodägg kastar ut en annan metall, mangan, förutom zink. Det verkar som om dessa utmatade manganjoner kolliderar med spermier som omger det befruktade ägget och hindrar dem från att komma in.

"Dessa genombrott stödjer en framväxande bild av att övergångsmetaller används av celler för att reglera några av de tidigaste besluten i en organism, Sa O'Halloran.

För att göra dessa upptäckter, laget behövde tillgång till några av de mest kraftfulla mikroskop i världen samt expertis som sträckte sig över kemi, biologi och röntgenfysik. Den unika kombinationen inkluderade medarbetare vid Center for Quantitative Element Mapping for the Life Sciences, eller QE-Map, ett tvärvetenskapligt nationellt institut för hälsofinansierat forskningsnav vid MSU och Northwestern CLP. Forskningen förlitade sig starkt på de verktyg och expertis som finns tillgänglig på Argonne.

Forskargruppen tog med delar av grodägg och embryon till Argonne för analys. Med både röntgen- och elektronmikroskopi, forskarna bestämde identiteten, koncentrationer och intracellulära fördelningar av metaller både före och efter befruktning.

Röntgenfluorescensmikroskopi utfördes vid beamline 2-ID-D i Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility i Argonne. Barry Lai, gruppledare på Argonne och en författare på tidningen, sa att röntgenanalysen kvantifierade mängden zink, mangan och andra metaller koncentrerade i små fickor runt äggets yttre lager. De fann att dessa fickor innehöll mer än 30 gånger manganet som resten av äggen, och 10 gånger zinket.

"Vi kan göra denna analys på grund av strålningens elementära känslighet, "Sa Lai." Faktum är att Det är så känsligt att väsentligt lägre koncentrationer kan mätas. "

Kompletterande skanningar utfördes med hjälp av transmissionselektronmikroskopi vid Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility i Argonne. Ytterligare analyser utfördes på ett separat prototypskanningsöverföringselektronmikroskop som inkluderar teknik utvecklad av Argonne Senior Scientist Nestor Zaluzec, en författare på tidningen. Dessa skanningar utfördes i mindre skala - ner till några nanometer, cirka 100, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår - men fann samma resultat:höga koncentrationer av metaller i fickor runt det yttre lagret.

Både röntgen- och elektronmikroskopi visade att metaller i dessa fickor nästan helt frigjordes efter befruktning.

"Argonne har de verktyg som är nödvändiga för att undersöka dessa biologiska prover i dessa skalor utan att förstöra dem med röntgenstrålar eller elektroner, "Zaluzec sa." Det är en kombination av rätt resurser och rätt expertis. "

APS håller på att genomgå en massiv uppgradering, en som kommer att öka ljusstyrkan på sina röntgenstrålar med upp till 500 gånger. Lai sa att en uppgraderad APS kunde slutföra dessa skanningar mycket snabbare eller med högre rumslig upplösning. Det som tog mer än en timme för denna forskning kunde göras på mindre än en minut efter uppgraderingen, Sa Lai.

"Vi tänker ofta på gener som viktiga reglerande faktorer, men vårt arbete har visat att atomer som zink och mangan är avgörande för de första stegen i utvecklingen efter befruktning, "sade MSU -prosten Teresa K. Woodruff, Ph.D., en annan senior författare på tidningen.

Myskmadra, en MSU -grundläggande professor och tidigare medlem i CLP, var också ledare för det nordvästra laget som upptäckte zinkgnistor för fem år sedan. Med upptäckten av mangan gnistor i afrikanska klo grodor, eller Xenopus laevis, teamet är glada att utforska om elementet frigörs av mänskliga ägg när det befruktas.

"Dessa upptäckter kunde bara göras av tvärvetenskapliga grupper, orädd tittar på grundläggande steg, "sa hon." Att arbeta över discipliner vid teknikens bokstavliga kant är ett av de djupaste sätten för nya upptäckter. "

"Xenopus är ett perfekt system för sådana studier eftersom deras ägg är en storleksordning större än mänskliga eller musägg, och är tillgängliga i stort antal ", säger Carole LaBonne, en annan författare till studien, CLP -medlem, och ordförande för Institutionen för molekylär biovetenskap vid Northwestern. "Upptäckten av zink och mangan gnistor är spännande, och föreslår att det kan finnas andra grundläggande signalroller för dessa övergångsmetaller. "