軟X射線成像技術(shù)揭示細(xì)胞器進化的關(guān)鍵機制

導(dǎo)讀

近日，加州大學(xué)圣克魯斯分校、加州大學(xué)舊金山分校和勞倫斯伯克利國家實驗室等機構(gòu)的研究團隊在《Science》發(fā)表題為"Nitrogen-fixing organelle in a marine alga"的重要研究成果，首次發(fā)現(xiàn)第一種固氮真核生物^[1]，并利用軟X射線成像技術(shù)，揭示了細(xì)胞器進化的關(guān)鍵機制。

軟 X 射線成像技術(shù)通常依賴同步輻射光源，極大的限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。基于此，SiriusXT 公司創(chuàng)始人 Sergey Kapishnikov 研發(fā)的軟 X 射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡 SXT-100，無需同步輻射光源，可對厚度高達(dá)15 μm的整個含水細(xì)胞的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進行高通量成像，尤其適用于宿主-共生體互作三維建模、跨物種共生系統(tǒng)比較（如硅藻內(nèi)共生球體）等研究，讓研究人員能夠在常規(guī)實驗室環(huán)境中即可精確復(fù)現(xiàn)《Science》研究中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

研究背景

共生相互作用是葉綠體和線粒體細(xì)胞器進化的關(guān)鍵。然而，從獨立共生體到功能性細(xì)胞器的演化路徑始終缺乏直接實證。2024 年 4 月，加州大學(xué)圣克魯斯分校聯(lián)合多機構(gòu)團隊在《Science》發(fā)表的封面研究，為理解生命進化提供了突破性視角。研究人員通過對海洋單細(xì)胞藻類Braarudosphaera bigelowii及其內(nèi)共生體Candidatus Atelocyanobacterium thalassa（UCYN-A）的共生系統(tǒng)進行研究，發(fā)現(xiàn)UCYN-A已經(jīng)高度整合到宿主藻類的細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，并且能夠與宿主細(xì)胞的細(xì)胞器同步分裂。這一發(fā)現(xiàn)表明，UCYN-A不僅僅是一個簡單的內(nèi)共生體，而是已經(jīng)進化為一種類似細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)，研究人員將其稱為“氮固定器”（nitroplast）。該研究不僅揭示了內(nèi)共生體向細(xì)胞器演化的早期階段，還為未來的研究提供了一個重要的內(nèi)共生模型系統(tǒng)。

  
文中采用的軟X射線成像技術(shù)，以其能夠在不破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的情況下在納米尺度上清晰地展示細(xì)胞器和內(nèi)共生體的三維空間分布的技術(shù)特點，為此項研究提供關(guān)鍵技術(shù)支持。

實驗詳情

在本研究中，研究人員利用軟X射線成像技術(shù)對B.bigelowii和UCYN-A的共生系統(tǒng)進行了詳細(xì)的三維成像（如下圖所示），該技術(shù)可以在無染色無切片條件下對整個細(xì)胞進行完整3D成像，更加直觀地展示了內(nèi)共生細(xì)胞器與宿主細(xì)胞的位置關(guān)系。

軟X射線對B.bigelowii和UCYN-A共生系統(tǒng)3D成像

 
通過對數(shù)百個完整個體樣本的成像和分析，研究人員發(fā)現(xiàn)UCYN-A在宿主細(xì)胞中的位置與線粒體、葉綠體等細(xì)胞器密切相關(guān)，并且在細(xì)胞分裂過程中與宿主細(xì)胞器同步進行復(fù)制和分裂（如下圖所示）。此外，研究人員還通過蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，宿主藻類的許多核編碼蛋白能夠被導(dǎo)入到UCYN-A中，這些蛋白在UCYN-A的代謝過程中發(fā)揮重要作用。

軟X射線成像技術(shù)對UCYN-A和B. bigelowii細(xì)胞器的復(fù)制和分裂過程3D成像圖

 
結(jié)語

這項研究不僅為理解內(nèi)共生體向細(xì)胞器演化的早期階段提供了新的視角，也為未來的生物進化研究提供了重要的參考。軟X射線技術(shù)的廣泛應(yīng)用將為生命科學(xué)的多個領(lǐng)域帶來新的突破，特別是在細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)和進化生物學(xué)等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，我們期待軟X射線技術(shù)在未來能夠為更多前沿科學(xué)研究提供支持。

軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100

軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡SXT100是先進的軟X射線成像設(shè)備之一，能夠提供高達(dá)50 nm分辨率的三維細(xì)胞成像。該儀器采用了先進的X射線源和探測器技術(shù)，能夠在短時間內(nèi)獲取大量的高質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)，為研究人員提供=強大的工具來探索細(xì)胞內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能。

軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100

 
SXT-100的技術(shù)優(yōu)勢：

• 高分辨三維成像：分辨率達(dá)50 nm。
• 含水細(xì)胞兼容性：基于“水窗”能量（280-530 eV）的軟X射線吸收特性，SXT-100可直接對全水合、冷凍樣本成像，避免化學(xué)固定或染色對結(jié)構(gòu)的干擾。
• 多模態(tài)聯(lián)用：SXT-100集成熒光顯微鏡功能，通過熒光信號定位目標(biāo)區(qū)域（如納米顆粒、細(xì)胞器），再利用SXT獲取三維結(jié)構(gòu)信息。
• 厚樣品穿透能力：可成像10-20 μm厚度的完整真核細(xì)胞（如藻類），克服光學(xué)顯微鏡局限。
• 無需冷凍/切片：避免電鏡制樣假象，保留原生狀態(tài)。

 
SXT-100的應(yīng)用案例

• 酵母細(xì)胞脂噬過程研究

如下圖所示，SXT成像對冷凍酵母細(xì)胞（Saccharomyces cerevisiae）進行3D成像，可以非常直觀地展示脂滴（黃色）與消化液泡（棕色）的空間分布動態(tài)，揭示饑餓誘導(dǎo)的脂噬（lipophagy）機制。

• 納米藥物遞送在細(xì)胞內(nèi)3D成像

如下圖所示，在HeLa細(xì)胞（HeLa）中，SXT-100成功追蹤100 nm熒光聚苯乙烯納米顆粒（NPs）的溶酶體共定位，可以提供熒光信息與納米藥物遞送載體在細(xì)胞內(nèi)的3D共定位信息，為優(yōu)化藥物載體設(shè)計提供結(jié)構(gòu)依據(jù)。

• 復(fù)雜真核生物成像

如下圖所示，SXT-100可以對眼蟲（Euglena gracilis）的進行納米級3D無標(biāo)記成像，結(jié)合熒光標(biāo)記葉綠素進行三維結(jié)構(gòu)表征，可以清晰呈現(xiàn)鞭毛、類核體及光合膜系統(tǒng)等復(fù)雜真核生物內(nèi)的細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，為單細(xì)胞生物功能研究提供新視角。

 
關(guān)于 SiriusXT Ltd

SiriusXT Ltd是成立于愛爾蘭的高端設(shè)備制造廠商，主要致力于高端軟X射線顯微鏡的研發(fā)及生產(chǎn)，其產(chǎn)品SXT-100一經(jīng)推出，就受到了市場的極大關(guān)注，憑借其特殊的優(yōu)勢，獲得 CoCID (Compact Cell-Imaging Device) 項目235萬歐元資助，支持其從細(xì)胞結(jié)構(gòu)成像角度助力抗病毒藥物的研發(fā)。

關(guān)于Quantum Design 中國：

Quantum量子科學(xué)儀器貿(mào)易（北京）有限公司(暨Quantum Design中國子公司)成立于2004年，是美國Quantum Design公司在全世界設(shè)立的諸多子公司之一，在全權(quán)負(fù)責(zé)美國公司本部產(chǎn)品在中國的銷售及售后技術(shù)支持的同時，還積極致力于和世界范圍內(nèi)物理、化學(xué)、生物領(lǐng)域的科學(xué)儀器制造商進行密切合作，幫助中國市場引進更多全球范圍內(nèi)的優(yōu)質(zhì)設(shè)備和技術(shù)，助力中國科學(xué)家的項目研究和發(fā)展。

聯(lián)系我們：

Quantum Design 中國現(xiàn)已全面負(fù)責(zé)SiriusXT公司產(chǎn)品在中國市場的推廣宣傳、銷售、技術(shù)支持及售后服務(wù)！若您對實驗室型軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100有任何問題，歡迎通過電話：010-85120280、郵箱：info@qd-china.com聯(lián)系我們，我們將竭誠為您服務(wù)。