单细菌的3D化学图谱

时间：2022-05-04 11:44:14 来源：网络整理

国家同步加速器光源II(NSLS-II)的科学家 - 美国能源部(DOE)DOE布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室 - 使用超亮X射线成像具有更高空间分辨率的单个细菌。以往。他们的工作发表在“科学报告”上，展示了一种称为X射线荧光显微镜(XRF)的X射线成像技术，作为生成小型生物样本三维图像的有效方法。

“这是第一次，我们使用纳米级XRF将细菌成像到细胞膜的分辨率，”NSLS-II的科学家，该论文的共同作者Lisa Miller说。“在膜水平上成像细胞对于了解细胞在各种疾病中的作用以及开发先进的医学治疗方法至关重要。”

X射线图像的破纪录分辨率得益于硬X射线纳米探针(HXN)光束线的先进功能，这是NSLS-II的实验台，具有新颖的纳米聚焦光学系统和出色的稳定性。

单细菌的3D化学图谱

“HXN是第一个用这种分辨率生成三维图像的XRF光束线，”米勒说。

虽然其他成像技术(例如电子显微镜)可以以非常高的分辨率对细胞膜的结构成像，但是这些技术不能提供关于细胞的化学信息。在HXN，研究人员可以生成样品的三维化学图谱，确定整个细胞中痕量元素的位置。

“在HXN，我们以一个角度拍摄样本图像，将样本旋转到下一个角度，拍摄另一个图像，依此类推，”该研究的第一作者，NSLS-II的科学家Tiffany Victor说。“每张图像都显示了样品在该方向的化学特征。然后，我们可以将这些配置文件合并在一起，以创建一个三维图像。”

米勒补充说：“获得XRF三维图像就像将医生办公室的常规X射线与CT扫描进行比较一样。”

HXN产生的图像显示，两种微量元素钙和锌在细菌细胞中具有独特的空间分布。

“我们相信锌与细菌中的核糖体有关，”Victor说。“细菌没有很多细胞器，不像真核(复杂)细胞有线粒体，细胞核和许多其他细胞器。所以，它不是最令人兴奋的成像样本，但它是一个很好的模型系统，它展示了成像技术非常出色。“

HXN的主要光束线科学家Yong Chu表示，成像技术也适用于许多其他研究领域。

“这种三维化学成像或荧光纳米图形技术在其他科学领域越来越受欢迎，”Chu说。“例如，我们可以想象电池的内部结构在充电和放电时是如何变换的。”

除了利用这种技术打破X射线成像分辨率的技术障碍外，研究人员还开发了一种在室温下对X射线测量过程中细菌成像的新方法。

“理想情况下，XRF成像应该在冷冻保存的冷冻生物样品上进行，以防止辐射损伤并获得对细胞过程更加生理学相关的理解，”Victor说。“由于HXN样品室的空间限制，我们无法使用低温恒温器研究样品。相反，我们将细胞嵌入小氯化钠晶体中，并在室温下对细胞成像。氯化钠晶体保持棒状像细胞一样的形状，它们使细胞更容易定位，减少了我们实验的运行时间。“

研究人员表示，证明X射线成像技术以及样品制备方法的有效性是大型项目中纳米级其他生物细胞中痕量元素成像的第一步。该团队对铜在阿尔茨海默病的神经元死亡中的作用特别感兴趣。

“铁，铜和锌等微量元素对营养至关重要，但它们也可以在疾病中发挥作用，”米勒说。“我们正在寻求了解含金属蛋白质在疾病过程中的亚细胞定位和功能，以帮助开发有效的治疗方法。”

这项工作得到了美国能源部科学办公室，国立卫生研究院和国家科学基金会的支持。

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