Small Science:同步辐射nano-XANES研究趋磁细菌铁物种的细胞内异质性

       X射线显微镜的技术突破为研究材料的结构和组成提供了新的手段,尤其是同步加速器中的X射线纳米探针可以在硬X射线能量范围(5~30 keV)实现100 nm的光束尺寸,从而能在纳米尺度上研究材料的成分和结构。此外,硬X射线纳米探针能结合成像与光谱学,使图像上的每个像素都包含纳米级的光谱信息,这对于揭示细胞内的生物化学情况非常有利。微生物控制的生物矿化过程,被认为是生产无机纳米材料最复杂的方法之一。例如,趋磁细菌(MTB)可在被称为磁小体的细胞器内合成由Fe3O4或Fe3S4组成的单畴磁性纳米颗粒。磁小体具有高度受控的生物学机制,内部磁性纳米粒子的数量、形态和排列具有物种特异性,这使得MTB生物矿化的机制(铁吸收、铁储存、纳米晶体成核与生长)的机制难以明确。

       近日,来自法国艾克斯-马赛大学的Daniel M. Chevrier和Damien Faivre在Small Science发表了研究文章,通过扫描X射线荧光显微镜和纳米级X射线吸收近边结构技术,在空间和化学上识别了MTB细胞内的铁物种,并确定了磁小体颗粒与其他细胞内铁物种的相对含量。

       本工作用透射电子显微镜(TEM)和扫描X射线荧光显微镜(SXFM)对野生型Magnetospirillum gryphiswaldense细胞进行了表征,其中X射线束大小为50~60nm,接近磁小体的直径(42±7nm,上图A),Fe Kα X射线荧光信号(XRF,上图B)显示了磁小体链的分布与方向。此外,还使用细菌散射的X射线形成了暗场微分相差(DPC)图像,其与XRF的结合如上图F所示,可以看出仅通过SXFM数据即可评估铁物种及其在细胞内的分布。

       之后,作者通过纳米级X射线吸收近边结构(nano-XANES)研究了不同铁介质条件下Magnetospirillum gryphiswaldense的铁小体形成情况。与磁铁矿(Fe3O4)条件相比,高铁(Fe(III)-柠檬酸盐)条件下吸收边能量出现了正偏移(+1.0 eV),且白线峰(7130和7135eV)变宽。为了加速大量XANES光谱数据的分析,作者使用主成分和聚类分析计算了特征光谱和特征图像,从而描述数据的变化,实现不同铁物种的区分。

       最后,作者研究了不同细菌物种(野生型和一种遗传变体)生物矿化早期中磁小体的形成过程。上图显示了启动生物矿化2小时后两物种的TEM、Fe Kα XRF和DPC-XRF复合图像,可以发现由于新生的磁小体直径较小(21±7nm),Fe Kα XRF信号在细胞内更为分散。XANES表征显示,两种细菌内都存在大量无序的铁物种,由于信号较弱,XANES数据线性组合的拟合度较差,尚未能做出进一步解释。作者表示,本工作通过SXFM和nano-XANES弥补了高空间分辨率细胞成像(如TEM)和高光谱分辨率表征(如扫描XAFS)的不足,从实验中得到了更多的细胞内信息,为深入理解生物矿化过程取得了重要进展。

Synchrotron-Based Nano-X-Ray Absorption Near-Edge Structure Revealing Intracellular Heterogeneity of Iron Species in Magnetotactic Bacteria

Daniel M. Chevrier, Elisa Cerdá-Doñate, Yeseul Park, Fernando Cacho-Nerin, Miguel Gomez-Gonzalez, René Uebe, Damien Faivre

Small Science

10.1002/smsc.202100089

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100089

译者:潘奕辰。