導讀

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

軟 X 射線成像技術通常依賴同步輻射光源，極大的限制了該技術的廣泛應用。基于此，SiriusXT 公司創始人 Sergey KaPIshnikov 研發的軟 X 射線細胞結構顯微鏡 SXT-100，無需同步輻射光源，可對厚度高達15 μm的整個含水細胞的亞細胞結構進行高通量成像，尤其適用于宿主-共生體互作三維建模、跨物種共生系統比較（如硅藻內共生球體）等研究，讓研究人員能夠在常規實驗室環境中即可精確復現《Science》研究中的關鍵數據。

研究背景

共生相互作用是葉綠體和線粒體細胞器進化的關鍵。然而，從獨立共生體到功能性細胞器的演化路徑始終缺乏直接實證。2024 年 4 月，加州大學圣克魯斯分校聯合多機構團隊在《Science》發表的封面研究，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胞藻類Braarudosphaera bigelowii及其內共生體Candidatus Atelocyanobacterium thalassa（UCYN-A）的共生系統進行研究，發現UCYN-A已經高度整合到宿主藻類的細胞結構中，并且能夠與宿主細胞的細胞器同步分裂。這一發現表明，UCYN-A不僅僅是一個簡單的內共生體，而是已經進化為一種類似細胞器的結構，研究人員將其稱為“氮固定器”（nitroplast）。該研究不僅揭示了內共生體向細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共生模型系統。

  
文中采用的軟X射線成像技術，以其能夠在不破壞細胞結構的情況下在納米尺度上清晰地展示細胞器和內共生體的三維空間分布的技術特點，為此項研究提供關鍵技術支持。

實驗詳情

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

軟X射線對B.bigelowii和UCYN-A共生系統3D成像

 
通過對數百個完整個體樣本的成像和分析，研究人員發現UCYN-A在宿主細胞中的位置與線粒體、葉綠體等細胞器密切相關，并且在細胞分裂過程中與宿主細胞器同步進行復制和分裂（如下圖所示）。此外，研究人員還通過蛋白質組學分析發現，宿主藻類的許多核編碼蛋白能夠被導入到UCYN-A中，這些蛋白在UCYN-A的代謝過程中發揮重要作用。

軟X射線成像技術對UCYN-A和B. bigelowii細胞器的復制和分裂過程3D成像圖

 
結語

這項研究不僅為理解內共生體向細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射線技術的廣泛應用將為生命科學的多個領域帶來新的突破，特別是在細胞生物學、微生物學和進化生物學等領域。隨著技術的不斷發展和創新，我們期待軟X射線技術在未來能夠為更多前沿科學研究提供支持。

軟X射線細胞結構顯微鏡——SXT-100

軟X射線細胞結構顯微鏡SXT100是先進的軟X射線成像設備之一，能夠提供高達50 nm分辨率的三維細胞成像。該儀器采用了先進的X射線源和探測器技術，能夠在短時間內獲取大量的高質量圖像數據，為研究人員提供=強大的工具來探索細胞內部的復雜結構和功能。

軟X射線細胞結構顯微鏡——SXT-100

 
SXT-100的技術優勢：

• 高分辨三維成像：分辨率達50 nm。
• 含水細胞兼容性：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，避免化學固定或染色對結構的干擾。
• 多模態聯用：SXT-100集成熒光顯微鏡功能，通過熒光信號定位目標區域（如納米顆粒、細胞器），再利用SXT獲取三維結構信息。
• 厚樣品穿透能力：可成像10-20 μm厚度的完整真核細胞（如藻類），克服光學顯微鏡局限。
• 無需冷凍/切片：避免電鏡制樣假象，保留原生狀態。

 
SXT-100的應用案例

• 酵母細胞脂噬過程研究

如下圖所示，SXT成像對冷凍酵母細胞（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，揭示饑餓誘導的脂噬（lipophagy）機制。

• 納米藥物遞送在細胞內3D成像

如下圖所示，在HeLa細胞（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胞內的3D共定位信息，為優化藥物載體設計提供結構依據。

• 復雜真核生物成像

如下圖所示，SXT-100可以對眼蟲（Euglena gracilis）的進行納米級3D無標記成像，結合熒光標記葉綠素進行三維結構表征，可以清晰呈現鞭毛、類核體及光合膜系統等復雜真核生物內的細胞器結構，為單細胞生物功能研究提供新視角。

 
關于 SiriusXT Ltd

SiriusXT Ltd是成立于愛爾蘭的高端設備制造廠商，主要致力于高端軟X射線顯微鏡的研發及生產，其產品SXT-100一經推出，就受到了市場的極大關注，憑借其特殊的優勢，獲得 CoCID (Compact Cell-Imaging Device) 項目235萬歐元資助，支持其從細胞結構成像角度助力抗病毒藥物的研發。

關于Quantum Design 中國：

Quantum量子科學儀器貿易（北京）有限公司(暨Quantum Design中國子公司)成立于2004年，是美國Quantum Design公司在全世界設立的諸多子公司之一，在全權負責美國公司本部產品在中國的銷售及售后技術支持的同時，還積極致力于和世界范圍內物理、化學、生物領域的科學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的優質設備和技術，助力中國科學家的項目研究和發展。

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Quantum Design 中國現已全面負責SiriusXT公司產品在中國市場的推廣宣傳、銷售、技術支持及售后服務！若您對實驗室型軟X射線細胞結構顯微鏡——SXT-100有任何問題，歡迎通過電話：010-85120280、郵箱：info@qd-china.com聯系我們，我們將竭誠為您服務。