單個細菌的3D化學圖譜長啥樣？

NSLS-II的科學家Tiffany Victor與硬X射線納米探針。

近日，美國能源部(DOE)布魯克黑文國家實驗室科學用戶設施辦公室下屬的國家同步加速器光源II (NSLS-II)部門的科學家們使用超右旋X射線以目前最高的太空分辨率拍攝了單個細菌，並生成了其3D化學圖譜。在11月7日發表於《科學報告》雜誌的論文中，他們展示了一種名為X射線熒光顯微鏡(XRF)的X射線成像技術。

“這是第一次使用納米尺度的XRF在細胞膜水準的分辨率上成像細菌。在該水準上成像細胞，對於理解細胞在各種疾病中的作用，發展先進的醫療方法至關重要。”論文的共同作者、NSLS-II的科學家Lisa Miller說。

由於硬X射線納米探測儀(HXN)光束線的先進能力，X射線影像破紀錄的分辨率成為可能。該光束線是NSLS-II的一個實驗站，具有新穎的納米光學特性和卓越的穩定性。Miller說:“HXN是第一個以這種分辨率生成3D影像的XRF光束線。”

雖然電子顯微鏡等其他成像技術可以以很高的分辨率成像細胞膜的結構，但這些技術不能提供細胞的化學資訊。在HXN上，研究人員可以製作樣本的三維化學地圖，確定在細胞中發現的微量元素的位置。

“在HXN上，我們從一個角度拍攝樣本，然後把樣本旋轉到另一個角度，再拍攝一次，以此類推，每張圖片都顯示了樣品在該方向的化學輪廓，然後，我們可以合並這些剖面圖來創建一個3D影像。”該研究的主要作者、NSLS-II的科學家Tiffany Victor說。Miller補充說：“獲得X射線熒光3D影像就像是將常規X射線與CT掃描進行比較。”

HXN產生的影像顯示，鈣和鋅這兩種微量元素在細菌胞體中有獨特的太空分布。“我們相信鋅與細菌中的核糖體有關。細菌和複雜的真核生物細胞不一樣，沒有線粒體、細胞核以及其他細胞器，所以這不是最令人興奮的影像樣本，但這是一個很好的模型系統，展示了高超的成像技術。”Victor說。

HXN光束線的首席科學家Yong Chu表示，這種成像技術也適用於許多其他領域的研究。他說：“這種3D化學成像或熒光納米層析技術在其他科學領域越來越流行。例如，我們可以形象化電池充放電時的內部結構變化。”

除了用這種技術突破了X射線成像分辨率的技術壁壘，研究人員還開發了一種新的方法，在X射線測量過程中對室溫下的細菌進行成像。“理想情況下，我們應該對冷凍保存的生物樣本進行XRF成像，以防止異塵餘生損傷，並獲得生理狀態下細胞過程的相關認識。而由於HXN樣品室的太空限制，我們無法使用低溫台對樣品進行研究。所以我們將細胞嵌入小的氯化鈉晶體中，並在室溫下成像。氯化鈉晶體保持了細胞的形狀，使細胞更容易定位，減少了實驗的運行時間。”Victor說。

研究人員說，證明X射線成像技術以及樣品製備方法的有效性，是在納米尺度上成像其他生物細胞中微量元素等更大項目的第一步。研究小組對銅在阿爾茨海默病神經元死亡中的作用非常感興趣。Miller說：“鐵、銅和鋅等微量元素是必需的營養元素，但它們也會導致疾病。我們正在研究它們的亞細胞定位和金屬蛋白在疾病過程中的作用，以幫助開發有效的治療方法。”

編譯：花花

審稿：阿淼

責編：南熙