Cinque anni fa, ricercatori della Northwestern University hanno fatto notizia a livello internazionale quando hanno scoperto che le uova umane, quando fecondato dallo sperma, rilasciare miliardi di ioni zinco, soprannominata "scintille di zinco".

Ora, Northwestern ha collaborato con l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e la Michigan State University (MSU) per rivelare che queste stesse scintille volano da compartimenti metallici altamente specializzati sulla superficie dell'uovo quando le uova di rana vengono fecondate. Ciò significa che la chimica primitiva del concepimento ha radici evolutive che risalgono ad almeno 300 milioni di anni, all'ultimo antenato comune tra rane e persone.

E la ricerca ha implicazioni al di là di questa biologia condivisa e di una storia profondamente radicata. Potrebbe anche aiutare a dare forma a scoperte future su come i metalli influiscano sui primi momenti dello sviluppo umano.

"Questo lavoro può aiutare a informare la nostra comprensione dell'interazione tra lo stato dello zinco nella dieta e la fertilità umana, " disse Thomas O'Halloran, l'autore senior del documento di ricerca pubblicato il 21 giugno sulla rivista Chimica della natura .

O'Halloran faceva parte della scoperta originale della scintilla di zinco alla Northwestern e, all'inizio di quest'anno, è entrato a far parte della Michigan State come professore di microbiologia e genetica molecolare e chimica. O'Halloran è stato il fondatore del Chemistry of Life Processes Institute della Northwestern, o CLP, e rimane un membro.

Il team ha anche scoperto che le uova di rana fecondate espellono un altro metallo, manganese, oltre allo zinco. Sembra che questi ioni di manganese espulsi entrino in collisione con lo sperma che circonda l'ovulo fecondato e impediscano loro di entrare.

"Queste scoperte supportano un'immagine emergente secondo cui i metalli di transizione sono utilizzati dalle cellule per regolare alcune delle prime decisioni nella vita di un organismo, " ha detto O'Halloran.

Per fare queste scoperte, il team aveva bisogno di accedere ad alcuni dei microscopi più potenti al mondo e di competenze che abbracciassero la chimica, biologia e fisica dei raggi X. Quella combinazione unica includeva i collaboratori del Center for Quantitative Element Mapping for the Life Sciences, o QE-Map, un centro di ricerca interdisciplinare finanziato dal National Institutes of Health presso la MSU e il CLP della Northwestern. La ricerca si è basata molto sugli strumenti e sulle competenze disponibili presso Argonne.

Il team di ricerca ha portato ad Argonne sezioni di uova ed embrioni di rana per l'analisi. Utilizzando sia la microscopia a raggi X che quella elettronica, i ricercatori hanno determinato l'identità, concentrazioni e distribuzioni intracellulari dei metalli sia prima che dopo la fecondazione.

La microscopia a fluorescenza a raggi X è stata condotta alla linea di luce 2-ID-D dell'Advanced Photon Source (APS), un DOE Office of Science User Facility ad Argonne. Barry Lai, capogruppo ad Argonne e autore sul giornale, detto che l'analisi ai raggi X ha quantificato la quantità di zinco, manganese e altri metalli concentrati in piccole tasche attorno allo strato esterno delle uova. Hanno scoperto che queste tasche contenevano più di 30 volte il manganese del resto delle uova, e 10 volte lo zinco.

"Siamo in grado di fare questa analisi a causa della sensibilità elementare della linea di luce, " Disse Lai. "In effetti, è così sensibile che possono essere misurate concentrazioni sostanzialmente inferiori."

Scansioni complementari sono state condotte utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione presso il Center for Nanoscale Materials (CNM), un DOE Office of Science User Facility ad Argonne. Ulteriori analisi sono state eseguite su un prototipo separato di microscopio elettronico a trasmissione a scansione che include la tecnologia sviluppata da Argonne Senior Scientist Nestor Zaluzec, un autore sulla carta. Queste scansioni sono state eseguite su scale più piccole, fino a pochi nanometri, circa 100, 000 volte più piccola della larghezza di un capello umano, ma ha trovato gli stessi risultati:alte concentrazioni di metalli nelle tasche attorno allo strato esterno.

Sia la microscopia a raggi X che quella elettronica hanno mostrato che i metalli in queste tasche sono stati rilasciati quasi completamente dopo la fecondazione.

"Argonne ha gli strumenti necessari per esaminare questi campioni biologici su queste scale senza distruggerli con raggi X o elettroni, " Zaluzec ha detto. "È una combinazione delle giuste risorse e delle giuste competenze".

L'APS è in procinto di subire un massiccio aggiornamento, uno che aumenterà la luminosità dei suoi raggi X fino a 500 volte. Lai ha affermato che un APS aggiornato potrebbe completare queste scansioni molto più rapidamente o con una risoluzione spaziale maggiore. Ciò che ha richiesto più di un'ora per questa ricerca potrebbe essere svolto in meno di un minuto dopo l'aggiornamento, disse Lai.

"Spesso pensiamo ai geni come fattori chiave di regolazione, ma il nostro lavoro ha dimostrato che atomi come zinco e manganese sono fondamentali per i primi passi nello sviluppo dopo la fecondazione, " ha detto il rettore della MSU Teresa K. Woodruff, dottorato di ricerca, un altro autore senior sulla carta.

asperula, un professore della fondazione MSU ed ex membro del CLP, era anche un leader del team della Northwestern che ha scoperto le scintille di zinco cinque anni fa. Con la scoperta di scintille di manganese nelle rane artigliate africane, o Xenopus laevis, il team è entusiasta di esplorare se l'elemento viene rilasciato dalle uova umane quando fecondate.

"Queste scoperte potevano essere fatte solo da gruppi interdisciplinari, esaminando senza paura i passaggi fondamentali, " ha detto. "Lavorare tra le discipline al limite letterale della tecnologia è uno dei modi più profondi in cui avvengono le nuove scoperte".

"Xenopus è un sistema perfetto per tali studi perché le loro uova sono un ordine di grandezza più grandi delle uova umane o di topo, e sono accessibili in gran numero ", ha affermato Carole LaBonne, un altro autore senior dello studio, membro CLP, e presidente del Dipartimento di Bioscienze Molecolari della Northwestern. "La scoperta delle scintille di zinco e manganese è emozionante, e suggerisce che potrebbero esserci altri ruoli di segnalazione fondamentali per questi metalli di transizione".