科学家建立单个细菌的3D化学图谱

NSLS-II的科学家Tiffany Victor与硬X射线纳米探针。

近日，美国能源部(DOE)布鲁克黑文国家实验室科学用户设施办公室下属的国家同步加速器光源II (NSLS-II)部门的科学家们使用超右旋X射线以目前最高的空间分辨率拍摄了单个细菌，并生成了其3D化学图谱。在11月7日发表于《科学报告》杂志的论文中，他们展示了一种名为X射线荧光显微镜(XRF)的X射线成像技术。

“这是第一次使用纳米尺度的XRF在细胞膜水平的分辨率上成像细菌。在该水平上成像细胞，对于理解细胞在各种疾病中的作用，发展先进的医疗方法至关重要。”论文的共同作者、NSLS-II的科学家Lisa Miller说。

由于硬X射线纳米探测仪(HXN)光束线的先进能力，X射线图像破纪录的分辨率成为可能。该光束线是NSLS-II的一个实验站，具有新颖的纳米光学特性和卓越的稳定性。Miller说:“HXN是第一个以这种分辨率生成3D图像的XRF光束线。”

虽然电子显微镜等其他成像技术可以以很高的分辨率成像细胞膜的结构，但这些技术不能提供细胞的化学信息。在HXN上，研究人员可以制作样本的三维化学地图，确定在细胞中发现的微量元素的位置。

“在HXN上，我们从一个角度拍摄样本，然后把样本旋转到另一个角度，再拍摄一次，以此类推，每张图片都显示了样品在该方向的化学轮廓，然后，我们可以合并这些剖面图来创建一个3D图像。”该研究的主要作者、NSLS-II的科学家Tiffany Victor说。Miller补充说：“获得X射线荧光3D图像就像是将常规X射线与CT扫描进行比较。”

HXN产生的图像显示，钙和锌这两种微量元素在细菌胞体中有独特的空间分布。“我们相信锌与细菌中的核糖体有关。细菌和复杂的真核生物细胞不一样，没有线粒体、细胞核以及其他细胞器，所以这不是最令人兴奋的图像样本，但这是一个很好的模型系统，展示了高超的成像技术。”Victor说。

HXN光束线的首席科学家Yong Chu表示，这种成像技术也适用于许多其他领域的研究。他说：“这种3D化学成像或荧光纳米层析技术在其他科学领域越来越流行。例如，我们可以形象化电池充放电时的内部结构变化。”

除了用这种技术突破了X射线成像分辨率的技术壁垒，研究人员还开发了一种新的方法，在X射线测量过程中对室温下的细菌进行成像。“理想情况下，我们应该对冷冻保存的生物样本进行XRF成像，以防止辐射损伤，并获得生理状态下细胞过程的相关认识。而由于HXN样品室的空间限制，我们无法使用低温台对样品进行研究。所以我们将细胞嵌入小的氯化钠晶体中，并在室温下成像。氯化钠晶体保持了细胞的形状，使细胞更容易定位，减少了实验的运行时间。”Victor说。

研究人员说，证明X射线成像技术以及样品制备方法的有效性，是在纳米尺度上成像其他生物细胞中微量元素等更大项目的第一步。研究小组对铜在阿尔茨海默病神经元死亡中的作用非常感兴趣。Miller说：“铁、铜和锌等微量元素是必需的营养元素，但它们也会导致疾病。我们正在研究它们的亚细胞定位和金属蛋白在疾病过程中的作用，以帮助开发有效的治疗方法。”

科界原创  

编译：花花 

审稿：阿淼  

责编：张梦

期刊来源：《科学报告》

期刊编号：2045-2322

原文链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-11/dnl-sp3111618.php

版权声明：本文由科界平台原创编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源科技工作者之家—科界App。