Hace cinco años, investigadores de la Universidad Northwestern llegaron a los titulares internacionales cuando descubrieron que los huevos humanos, cuando es fertilizado por esperma, liberan miles de millones de iones de zinc, apodado "chispas de zinc".

Ahora, Northwestern se ha asociado con el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad Estatal de Michigan (MSU) para revelar que estas mismas chispas vuelan desde compartimentos altamente especializados cargados de metal en la superficie del huevo cuando se fertilizan los huevos de rana. Esto significa que la química temprana de la concepción tiene raíces evolutivas que se remontan al menos a 300 millones de años, hasta el último antepasado común entre ranas y personas.

Y la investigación tiene implicaciones más allá de esta biología compartida y una historia profundamente arraigada. También podría ayudar a dar forma a los hallazgos futuros sobre cómo los metales impactan en los primeros momentos del desarrollo humano.

"Este trabajo puede ayudar a informar nuestra comprensión de la interacción del estado de zinc en la dieta y la fertilidad humana, "dijo Thomas O'Halloran, el autor principal del artículo de investigación publicado el 21 de junio en la revista Química de la naturaleza .

O'Halloran fue parte del descubrimiento original de chispas de zinc en Northwestern y, a principios de este año, se incorporó a Michigan State como profesor fundamental de microbiología y genética y química molecular. O'Halloran fue el fundador del Instituto de Química de Procesos de la Vida de Northwestern, o CLP, y sigue siendo miembro.

El equipo también descubrió que los huevos de rana fertilizados expulsan otro metal, manganeso, además de zinc. Parece que estos iones de manganeso expulsados ​​chocan con los espermatozoides que rodean el óvulo fertilizado y evitan que entren.

"Estos avances respaldan una imagen emergente de que las células utilizan metales de transición para regular algunas de las primeras decisiones en la vida de un organismo, "Dijo O'Halloran.

Para hacer estos descubrimientos, el equipo necesitaba acceso a algunos de los microscopios más poderosos del mundo, así como experiencia que abarcaba la química, biología y física de rayos X. Esa combinación única incluyó a colaboradores en el Centro de Mapeo Cuantitativo de Elementos para las Ciencias de la Vida, o QE-Map, un centro de investigación interdisciplinario financiado por los Institutos Nacionales de Salud en MSU y CLP de Northwestern. La investigación se basó en gran medida en las herramientas y la experiencia disponibles en Argonne.

El equipo de investigación llevó secciones de huevos y embriones de rana a Argonne para su análisis. Usando microscopía electrónica y de rayos X, los investigadores determinaron la identidad, concentraciones y distribuciones intracelulares de metales antes y después de la fertilización.

La microscopía de fluorescencia de rayos X se realizó en la línea de luz 2-ID-D de la fuente de fotones avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Barry Lai, líder de grupo en Argonne y autor del artículo, dijo que el análisis de rayos X cuantificó la cantidad de zinc, manganeso y otros metales concentrados en pequeñas bolsas alrededor de la capa exterior de los huevos. Encontraron que estos bolsillos contenían más de 30 veces más manganeso que el resto de los huevos, y 10 veces el zinc.

"Podemos hacer este análisis debido a la sensibilidad elemental de la línea de luz, "Dijo Lai." De hecho, es tan sensible que se pueden medir concentraciones sustancialmente más bajas ".

Se realizaron exploraciones complementarias utilizando microscopía electrónica de transmisión en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Se realizaron análisis adicionales en un prototipo de microscopio electrónico de transmisión de barrido separado que incluye tecnología desarrollada por el científico senior de Argonne, Nestor Zaluzec, un autor en el papel. Estos escaneos se realizaron a escalas más pequeñas, hasta unos pocos nanómetros, sobre 100, 000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, pero encontraron los mismos resultados:altas concentraciones de metales en los bolsillos alrededor de la capa exterior.

Tanto la microscopía de rayos X como la electrónica mostraron que los metales en estos bolsillos se liberaron casi por completo después de la fertilización.

“Argonne tiene las herramientas necesarias para examinar estas muestras biológicas a estas escalas sin destruirlas con rayos X o electrones, "Es una combinación de los recursos adecuados y la experiencia adecuada", dijo Zaluzec.

El APS está en proceso de actualización masiva, uno que aumentará el brillo de sus rayos X hasta 500 veces. Lai dijo que un APS actualizado podría completar estos escaneos mucho más rápidamente o con una resolución espacial más alta. Lo que tomó más de una hora para esta investigación se pudo hacer en menos de un minuto después de la actualización, Dijo Lai.

"A menudo pensamos en los genes como factores reguladores clave, pero nuestro trabajo ha demostrado que los átomos como el zinc y el manganeso son fundamentales para los primeros pasos en el desarrollo después de la fertilización, ", dijo la directora de MSU Teresa K. Woodruff, Doctor., otro autor principal del artículo.

Woodruff, un profesor de la fundación MSU y ex miembro de CLP, También fue líder del equipo de Northwestern que descubrió chispas de zinc hace cinco años. Con el descubrimiento de chispas de manganeso en ranas africanas con garras, o Xenopus laevis, el equipo está emocionado de explorar si el elemento es liberado por óvulos humanos cuando se fertilizan.

"Estos descubrimientos solo pueden ser realizados por grupos interdisciplinarios, mirando sin miedo los pasos fundamentales, ", dijo." Trabajar en todas las disciplinas en el límite literal de la tecnología es una de las formas más profundas en que se llevan a cabo los nuevos descubrimientos ".

"Xenopus es un sistema perfecto para tales estudios porque sus huevos son un orden de magnitud más grandes que los huevos de humanos o ratones, y son accesibles en gran número ", dijo Carole LaBonne, otro autor principal del estudio, Miembro de CLP, y presidente del Departamento de Biociencias Moleculares de Northwestern. "El descubrimiento de chispas de zinc y manganeso es emocionante, y sugiere que puede haber otras funciones fundamentales de señalización para estos metales de transición ".