Cinco anos atrás, pesquisadores da Northwestern University ganharam manchetes internacionais quando descobriram que os ovos humanos, quando fertilizado pelo esperma, liberam bilhões de íons de zinco, apelidado de "faíscas de zinco".

Agora, A Northwestern se associou ao Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e à Michigan State University (MSU) para revelar que essas mesmas faíscas voam de compartimentos carregados de metal altamente especializados na superfície do ovo quando os ovos de rã são fertilizados. Isso significa que a química inicial da concepção tem raízes evolutivas que remontam a pelo menos 300 milhões de anos, ao último ancestral comum entre sapos e pessoas.

E a pesquisa tem implicações além dessa biologia compartilhada e história profundamente enraizada. Também pode ajudar a moldar descobertas futuras sobre como os metais afetam os primeiros momentos do desenvolvimento humano.

"Este trabalho pode ajudar a informar nosso entendimento sobre a interação entre o zinco na dieta e a fertilidade humana, "disse Thomas O'Halloran, o autor sênior do artigo de pesquisa publicado em 21 de junho na revista Química da Natureza .

O'Halloran fez parte da descoberta original da centelha de zinco em Northwestern e, no início deste ano, ele ingressou no estado de Michigan como professor fundador de microbiologia e genética molecular e química. O'Halloran foi o fundador do Instituto de Química dos Processos de Vida da Northwestern, ou CLP, e permanece membro.

A equipe também descobriu que ovos de rã fertilizados ejetam outro metal, manganês, além do zinco. Parece que esses íons de manganês ejetados colidem com o esperma que envolve o óvulo fertilizado e os impede de entrar.

"Essas descobertas apóiam uma imagem emergente de que os metais de transição são usados ​​pelas células para regular algumas das primeiras decisões na vida de um organismo, "O'Halloran disse.

Para fazer essas descobertas, a equipe precisava de acesso a alguns dos microscópios mais poderosos do mundo, bem como conhecimentos que abrangiam a química, biologia e física de raios-X. Essa combinação única incluiu colaboradores do Center for Quantitative Element Mapping for the Life Sciences, ou QE-Map, um centro de pesquisa interdisciplinar financiado pelo National Institutes of Health na MSU e no CLP da Northwestern. A pesquisa baseou-se fortemente nas ferramentas e conhecimentos disponíveis na Argonne.

A equipe de pesquisa trouxe seções de ovos e embriões de rã para Argonne para análise. Usando raios-X e microscopia eletrônica, os pesquisadores determinaram a identidade, concentrações e distribuições intracelulares de metais antes e depois da fertilização.

A microscopia de fluorescência de raios-X foi conduzida na linha de luz 2-ID-D da Advanced Photon Source (APS), um DOE Office of Science User Facility em Argonne. Barry Lai, líder do grupo em Argonne e autor do jornal, disse que a análise de raios-X quantificou a quantidade de zinco, manganês e outros metais concentrados em pequenas bolsas ao redor da camada externa dos ovos. Eles descobriram que essas bolsas continham mais de 30 vezes o manganês do resto dos ovos, e 10 vezes o zinco.

"Somos capazes de fazer essa análise por causa da sensibilidade elementar da linha de luz, "Lai disse." Na verdade, é tão sensível que concentrações substancialmente mais baixas podem ser medidas. "

Varreduras complementares foram realizadas usando microscopia eletrônica de transmissão no Center for Nanoscale Materials (CNM), um DOE Office of Science User Facility em Argonne. Uma análise mais aprofundada foi realizada em um microscópio eletrônico de transmissão de varredura de protótipo separado que inclui a tecnologia desenvolvida por Nestor Zaluzec, cientista sênior da Argonne, um autor no papel. Essas varreduras foram realizadas em escalas menores - até alguns nanômetros, cerca de 100, 000 vezes menor do que a largura de um cabelo humano - mas encontraram os mesmos resultados:altas concentrações de metais nas bolsas ao redor da camada externa.

Tanto o raio-X quanto a microscopia eletrônica mostraram que os metais nessas bolsas foram quase completamente liberados após a fertilização.

"Argonne tem as ferramentas necessárias para examinar essas amostras biológicas nessas escalas sem destruí-las com raios-X ou elétrons, "Zaluzec disse." É uma combinação dos recursos certos e a experiência certa. "

O APS está passando por uma grande atualização, um que aumentará o brilho de seus feixes de raios-X em até 500 vezes. Lai disse que um APS atualizado poderia completar essas varreduras muito mais rapidamente ou com maior resolução espacial. O que levou mais de uma hora para esta pesquisa poderia ser feito em menos de um minuto após a atualização, Disse Lai.

"Muitas vezes pensamos nos genes como fatores reguladores importantes, mas nosso trabalho mostrou que átomos como zinco e manganês são essenciais para as primeiras etapas do desenvolvimento após a fertilização, "disse a reitora da MSU, Teresa K. Woodruff, Ph.D., outro autor sênior no papel.

Aspérula, um professor da fundação MSU e ex-membro do CLP, também foi líder da equipe da Northwestern que descobriu faíscas de zinco há cinco anos. Com a descoberta de faíscas de manganês em sapos africanos com garras, ou Xenopus laevis, a equipe está animada para explorar se o elemento é liberado por óvulos humanos quando fertilizado.

“Essas descobertas só poderiam ser feitas por grupos interdisciplinares, olhando sem medo para as etapas fundamentais, "ela disse." Trabalhar em várias disciplinas na borda literal da tecnologia é uma das maneiras mais profundas pelas quais novas descobertas acontecem. "

"O Xenopus é um sistema perfeito para tais estudos porque seus ovos são uma ordem de magnitude maiores do que os de humanos ou de camundongo, e são acessíveis em grande número ", disse Carole LaBonne, outro autor sênior do estudo, Membro CLP, e presidente do Departamento de Biociências Moleculares da Northwestern. "A descoberta de faíscas de zinco e manganês é emocionante, e sugere que pode haver outros papéis de sinalização fundamentais para esses metais de transição. "