無機(jī)離子是生物生命活動所必須的元素,絕大多數(shù)生物需要金屬離子參與代謝,以維持生物的主要生理功能。當(dāng)生物暴露于高劑量或有毒的離子環(huán)境中,會激活基因、蛋白、亞細(xì)胞等多個尺度的解毒通路。其中,將金屬離子轉(zhuǎn)化為納米粒子是一種獨(dú)特的生物解毒策略,為材料組裝開辟了綠色通道。無機(jī)離子與有機(jī)生命相互作用是一種跨尺度體系,可視化金屬離子誘導(dǎo)的亞細(xì)胞演變規(guī)律和生物合成納米顆粒的3D分布仍然是一個挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室田揚(yáng)超研究員和田立嬌副研究員課題組基于合肥光源的軟X射線成像線站(BL07W),研究無機(jī)離子與有機(jī)生命互作過程中亞細(xì)胞響應(yīng)和生物合成納米金的空間分布。研究團(tuán)隊(duì)基于高通量、無損和高分辨的冷凍軟X射線斷層成像(cryo-SXT)技術(shù),采集酵母的cryo-SXT圖像,重建酵母胞內(nèi)的細(xì)胞器3D結(jié)構(gòu)和空間分布。通過形貌和線性吸收系數(shù)(LAC),鑒別出細(xì)胞器和納米顆粒。基于cryo-SXT,研究團(tuán)隊(duì)揭示了金離子與酵母互作過程中,亞細(xì)胞水平響應(yīng)規(guī)律:脂滴體積變大(圖1)、線粒體發(fā)生斷裂(圖2)和液泡褶皺變形(圖3)。此外,團(tuán)隊(duì)明確了生物合成的納米金在酵母體內(nèi)的空間定位和3D分布規(guī)律(圖4)。本研究從亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和空間定位的視角,明晰有機(jī)生命與無機(jī)離子互作機(jī)制。
相關(guān)研究成果以“Direct Visualization and Restoration of Metallic Ion-Induced Subcellular Ultrastructural Remodeling”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上。
圖1:通過軟X線斷層成像觀察金離子刺激的產(chǎn)朊假絲酵母脂滴(綠色)腫脹
圖2:金離子誘導(dǎo)線粒體(黃色)數(shù)量和超微結(jié)構(gòu)的改變
圖3:金離子誘導(dǎo)酵母液泡結(jié)構(gòu)改變及液泡內(nèi)自噬結(jié)構(gòu)的形成
圖4:通過cryo-SXT揭示生物合成的金納米顆粒(紅色)在整個細(xì)胞中的空間定位。生物合成的金納米顆粒分布在(a-b)周質(zhì)空間(淺綠色),(c)線粒體(淺黃色),(d)囊泡(淡藍(lán)色)。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c12191