Il y a cinq ans, des chercheurs de la Northwestern University ont fait la une des journaux internationaux lorsqu'ils ont découvert que les œufs humains, lorsqu'il est fécondé par le sperme, libérer des milliards d'ions zinc, surnommé « étincelles de zinc ».

Maintenant, Northwestern s'est associé au laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) et à l'Université d'État du Michigan (MSU) pour révéler que ces mêmes étincelles jaillissent de compartiments hautement spécialisés chargés de métaux à la surface des œufs lorsque les œufs de grenouille sont fécondés. Cela signifie que la première chimie de la conception a des racines évolutives remontant à au moins 300 millions d'années, au dernier ancêtre commun entre les grenouilles et les hommes.

Et la recherche a des implications au-delà de cette biologie partagée et de cette histoire profondément enracinée. Cela pourrait également aider à façonner les futures découvertes sur l'impact des métaux sur les premiers moments du développement humain.

"Ce travail peut aider à éclairer notre compréhension de l'interaction entre le statut en zinc alimentaire et la fertilité humaine, " dit Thomas O'Halloran, l'auteur principal du document de recherche publié le 21 juin dans la revue Chimie de la nature .

O'Halloran faisait partie de la découverte originale d'étincelles de zinc à Northwestern et, plus tôt cette année, il a rejoint l'État du Michigan en tant que professeur fondateur de microbiologie, de génétique moléculaire et de chimie. O'Halloran a été le fondateur du Northwestern's Chemistry of Life Processes Institute, ou CLP, et reste membre.

L'équipe a également découvert que les œufs de grenouille fécondés éjectent un autre métal, manganèse, en plus du zinc. Il semble que ces ions de manganèse éjectés entrent en collision avec le sperme entourant l'ovule fécondé et les empêchent d'entrer.

"Ces percées soutiennent une image émergente selon laquelle les métaux de transition sont utilisés par les cellules pour réguler certaines des premières décisions de la vie d'un organisme, " a déclaré O'Halloran.

Pour faire ces découvertes, l'équipe avait besoin d'accéder à certains des microscopes les plus puissants au monde ainsi qu'à une expertise couvrant la chimie, biologie et physique des rayons X. Cette combinaison unique comprenait des collaborateurs du Center for Quantitative Element Mapping for the Life Sciences, ou QE-Map, un centre de recherche interdisciplinaire financé par les National Institutes of Health à la MSU et au CLP de Northwestern. La recherche s'est fortement appuyée sur les outils et l'expertise disponibles à Argonne.

L'équipe de recherche a apporté des sections d'œufs et d'embryons de grenouille à Argonne pour analyse. En utilisant à la fois les rayons X et la microscopie électronique, les chercheurs ont déterminé l'identité, concentrations et distributions intracellulaires des métaux avant et après la fécondation.

La microscopie à fluorescence X a été réalisée sur la ligne de lumière 2-ID-D de l'Advanced Photon Source (APS), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne. Barry Lai, chef de groupe à Argonne et auteur sur le papier, dit que l'analyse aux rayons X a quantifié la quantité de zinc, manganèse et autres métaux concentrés dans de petites poches autour de la couche externe des œufs. Ils ont découvert que ces poches contenaient plus de 30 fois plus de manganèse que le reste des œufs, et 10 fois le zinc.

"Nous sommes en mesure de faire cette analyse en raison de la sensibilité élémentaire de la ligne de lumière, " dit Lai. " En fait, il est si sensible que des concentrations sensiblement plus faibles peuvent être mesurées."

Des scans complémentaires ont été réalisés en microscopie électronique à transmission au Center for Nanoscale Materials (CNM), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne. Une analyse plus approfondie a été effectuée sur un prototype de microscope électronique à transmission à balayage séparé qui comprend une technologie développée par le scientifique principal d'Argonne, Nestor Zaluzec, un auteur sur le papier. Ces scans ont été effectués à des échelles plus petites, jusqu'à quelques nanomètres, environ 100, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain, mais j'ai trouvé les mêmes résultats :des concentrations élevées de métaux dans les poches autour de la couche externe.

La microscopie à rayons X et électronique a montré que les métaux dans ces poches étaient presque complètement libérés après la fécondation.

"Argonne dispose des outils nécessaires pour examiner ces échantillons biologiques à ces échelles sans les détruire avec des rayons X ou des électrons, " a déclaré Zaluzec. "C'est une combinaison des bonnes ressources et de la bonne expertise."

L'APS est en train de subir une mise à niveau massive, celui qui augmentera la luminosité de ses faisceaux de rayons X jusqu'à 500 fois. Lai a déclaré qu'un APS amélioré pourrait effectuer ces analyses beaucoup plus rapidement ou avec une résolution spatiale plus élevée. Ce qui a pris plus d'une heure pour cette recherche a pu être fait en moins d'une minute après la mise à niveau, dit Laï.

« Nous pensons souvent aux gènes comme des facteurs de régulation clés, mais nos travaux ont montré que des atomes comme le zinc et le manganèse sont essentiels aux premières étapes du développement après la fécondation, " a déclaré Teresa K. Woodruff, prévôt de la MSU, Doctorat., un autre auteur principal sur le papier.

aspérule, professeur de la fondation MSU et ancien membre du CLP, était également un chef de file de l'équipe de Northwestern qui a découvert des étincelles de zinc il y a cinq ans. Avec la découverte d'étincelles de manganèse chez les grenouilles africaines à griffes, ou Xenopus laevis, l'équipe est ravie d'explorer si l'élément est libéré par les œufs humains lorsqu'ils sont fécondés.

"Ces découvertes ne pouvaient être faites que par des groupes interdisciplinaires, en regardant sans crainte les étapes fondamentales, ", a-t-elle déclaré. "Travailler dans plusieurs disciplines à la pointe de la technologie est l'une des manières les plus profondes de faire de nouvelles découvertes."

"Xenopus est un système parfait pour de telles études car leurs œufs sont d'un ordre de grandeur plus gros que les œufs humains ou de souris, et sont accessibles en grand nombre » a déclaré Carole LaBonne, un autre auteur principal de l'étude, membre CLP, et président du Département des biosciences moléculaires à Northwestern. "La découverte des étincelles de zinc et de manganèse est passionnante, et suggère qu'il pourrait y avoir d'autres rôles de signalisation fondamentaux pour ces métaux de transition."