第一种固氮真核生物登上Science！软X射线成像技术揭示细胞器进化之谜
导读
近日，加州大学圣克鲁斯分校、加州大学旧金山分校和劳伦斯伯克利国家实验室等机构的研究团队在《Science》发表题为"Nitrogen-fixing organelle in a marine alga"的重要研究成果，首次发现第一种固氮真核生物[1]，并利用软X射线成像技术，揭示了细胞器进化的关键机制。
软 X 射线成像技术通常依赖同步辐射光源，极大的限制了该技术的广泛应用。基于此，SiriusXT 公司创始人 Sergey Kapishnikov 研发的软 X 射线细胞结构显微镜 SXT-100，无需同步辐射光源，可对厚度高达15 μm的整个含水细胞的亚细胞结构进行高通量成像，尤其适用于宿主-共生体互作三维建模、跨物种共生系统比较（如硅藻内共生球体）等研究，让研究人员能够在常规实验室环境中即可精确复现《Science》研究中的关键数据。
研究背景
共生相互作用是叶绿体和线粒体细胞器进化的关键。然而，从独立共生体到功能性细胞器的演化路径始终缺乏直接实证。2024 年 4 月，加州大学圣克鲁斯分校联合多机构团队在《Science》发表的封面研究，为理解生命进化提供了突破性视角。研究人员通过对海洋单细胞藻类Braarudosphaera bigelowii及其内共生体Candidatus Atelocyanobacterium thalassa（UCYN-A）的共生系统进行研究，发现UCYN-A已经高度整合到宿主藻类的细胞结构中，并且能够与宿主细胞的细胞器同步分裂。这一发现表明，UCYN-A不仅仅是一个简单的内共生体，而是已经进化为一种类似细胞器的结构，研究人员将其称为“氮固定器”（nitroplast）。该研究不仅揭示了内共生体向细胞器演化的早期阶段，还为未来的研究提供了一个重要的内共生模型系统。
文中采用的软X射线成像技术，以其能够在不破坏细胞结构的情况下在纳米尺度上清晰地展示细胞器和内共生体的三维空间分布的技术特点，为此项研究提供关键技术支持。
实验详情
在本研究中，研究人员利用软X射线成像技术对B.bigelowii和UCYN-A的共生系统进行了详细的三维成像（如下图所示），该技术可以在无染色无切片条件下对整个细胞进行完整3D成像，更加直观地展示了内共生细胞器与宿主细胞的位置关系。
软X射线对B.bigelowii和UCYN-A共生系统3D成像
通过对数百个完整个体样本的成像和分析，研究人员发现UCYN-A在宿主细胞中的位置与线粒体、叶绿体等细胞器密切相关，并且在细胞分裂过程中与宿主细胞器同步进行复制和分裂（如下图所示）。此外，研究人员还通过蛋白质组学分析发现，宿主藻类的许多核编码蛋白能够被导入到UCYN-A中，这些蛋白在UCYN-A的代谢过程中发挥重要作用。
软X射线成像技术对UCYN-A和B. bigelowii细胞器的复制和分裂过程3D成像图
结语
这项研究不仅为理解内共生体向细胞器演化的早期阶段提供了新的视角，也为未来的生物进化研究提供了重要的参考。软X射线技术的广泛应用将为生命科学的多个领域带来新的突破，特别是在细胞生物学、微生物学和进化生物学等领域。随着技术的不断发展和创新，我们期待软X射线技术在未来能够为更多前沿科学研究提供支持。
软X射线细胞结构显微镜——SXT-100
软X射线细胞结构显微镜SXT100是先进的软X射线成像设备之一，能够提供高达50 nm分辨率的三维细胞成像。该仪器采用了先进的X射线源和探测器技术，能够在短时间内获取大量的高质量图像数据，为研究人员提供=强大的工具来探索细胞内部的复杂结构和功能。
软X射线细胞结构显微镜——SXT-100
SXT-100的技术优势：
高分辨三维成像：分辨率达50 nm。
含水细胞兼容性：基于“水窗”能量（280-530 eV）的软X射线吸收特性，SXT-100可直接对全水合、冷冻样本成像，避免化学固定或染色对结构的干扰。
多模态联用：SXT-100集成荧光显微镜功能，通过荧光信号定位目标区域（如纳米颗粒、细胞器），再利用SXT获取三维结构信息。
厚样品穿透能力：可成像10-20 μm厚度的完整真核细胞（如藻类），克服光学显微镜局限。
无需冷冻/切片：避免电镜制样假象，保留原生状态。
SXT-100的应用案例
酵母细胞脂噬过程研究
如下图所示，SXT成像对冷冻酵母细胞（Saccharomyces cerevisiae）进行3D成像，可以非常直观地展示脂滴（黄色）与消化液泡（棕色）的空间分布动态，揭示饥饿诱导的脂噬（lipophagy）机制。
纳米药物递送在细胞内3D成像
如下图所示，在HeLa细胞（HeLa）中，SXT-100成功追踪100 nm荧光聚苯乙烯纳米颗粒（NPs）的溶酶体共定位，可以提供荧光信息与纳米药物递送载体在细胞内的3D共定位信息，为优化药物载体设计提供结构依据。
复杂真核生物成像
如下图所示，SXT-100可以对眼虫（Euglena gracilis）的进行纳米级3D无标记成像，结合荧光标记叶绿素进行三维结构表征，可以清晰呈现鞭毛、类核体及光合膜系统等复杂真核生物内的细胞器结构，为单细胞生物功能研究提供新视角。
关于 SiriusXT Ltd
SiriusXT Ltd是成立于爱尔兰的高端设备制造厂商，主要致力于高端软X射线显微镜的研发及生产，其产品SXT-100一经推出，就受到了市场的极大关注，凭借其特殊的优势，获得 CoCID (Compact Cell-Imaging Device) 项目235万欧元资助，支持其从细胞结构成像角度助力抗病毒药物的研发。
关于Quantum Design 中国：
Quantum量子科学仪器贸易（北京）有限公司(暨Quantum Design中国子公司)成立于2004年，是美国Quantum Design公司在全世界设立的诸多子公司之一，在全权负责美国公司本部产品在中国的销售及售后技术支持的同时，还积极致力于和世界范围内物理、化学、生物领域的科学仪器制造商进行密切合作，帮助中国市场引进更多全球范围内的优质设备和技术，助力中国科学家的项目研究和发展。
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Quantum Design 中国现已全面负责SiriusXT公司产品在中国市场的推广宣传、销售、技术支持及售后服务！若您对实验室型软X射线细胞结构显微镜——SXT-100有任何问题，欢迎通过电话：010-85120280、邮箱：info@qd-china.com或扫描下方二维码联系我们，我们将竭诚为您服务。
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