窒素固定シアノバクテリアのナノスケール元素および形態学的イメージング

窒素固定シアノバクテリアは、日光を使用して大気窒素と二酸化炭素を結合します。この実験的研究は、窒素枯渇した培養における実験室ベースのモデルシステムAnabaena sp。に焦点を当てていました。結合された窒素が希少な場合、糸状球体は細胞分化による光合成と窒素固定をヘテロシストに調整します。細胞機能に対する微量栄養素の影響をよりよく理解するために、2Dおよび3DシンクロトロンX線蛍光マッピングは、高度な光子源であるバイオノンプローブの凍結水素状態の生物学的細胞全体から獲得されました。これらの鎖様生物内の元素恒常性を研究するために、生物学的に関連する要素を、X線蛍光分光法とエネルギー分散型X線微量分析を使用してマッピングしました。細胞質K+、Ca2+、およびFe2+のより高いレベルは、隣接する栄養細胞よりもヘテロシストで測定され、微量栄養素需要の上昇の概念を支持しました。栄養貯蔵、金属解毒、および浸透圧調節に関与するポリリン酸塩と同定されたPリッチクラスターは、K+と一貫して共局在し、時にはMg2+、Ca2+、Fe2+、およびMn2+イオンと隔離されました。マシンラーニングベースのK-Meanクラスタリングは、P/KクラスターがFeまたはCaのいずれかに関連しており、FeおよびCaクラスターも個別に発生していることが明らかになりました。XRFナノトモグラフィに従って、細胞エンベロープに近い異なるP/K含有クラスターは、より大きなCAリッチクラスターに囲まれていました。ニトロゲナーゼ酵素の一部である遷移金属Feは、不規則な形状のクラスターとして検出されました。二陽性栄養性アナバエナsp。の元素組成と細胞形態。AFM、SEM、および蛍光顕微鏡を使用したマルチモーダルイメージングによって視覚化されました。このペーパーでは、ビオナノプローブでのインライン光学蛍光とX線蛍光顕微鏡を組み合わせて得た最初の実験結果について説明します。

Nitrogen-fixing cyanobacteria bind atmospheric nitrogen and carbon dioxide using sunlight. This experimental study focused on a laboratory-based model system, Anabaena sp., in nitrogen-depleted culture. When combined nitrogen is scarce, the filamentous procaryotes reconcile photosynthesis and nitrogen fixation by cellular differentiation into heterocysts. To better understand the influence of micronutrients on cellular function, 2D and 3D synchrotron X-ray fluorescence mappings were acquired from whole biological cells in their frozen-hydrated state at the Bionanoprobe, Advanced Photon Source. To study elemental homeostasis within these chain-like organisms, biologically relevant elements were mapped using X-ray fluorescence spectroscopy and energy-dispersive X-ray microanalysis. Higher levels of cytosolic K+, Ca2+, and Fe2+ were measured in the heterocyst than in adjacent vegetative cells, supporting the notion of elevated micronutrient demand. P-rich clusters, identified as polyphosphate bodies involved in nutrient storage, metal detoxification and osmotic regulation, were consistently co-localized with K+ and occasionally sequestered Mg2+, Ca2+, Fe2+, and Mn2+ ions. Machine-learning based k-mean clustering revealed that P/K clusters were associated with either Fe or Ca, with Fe and Ca clusters also occurring individually. In accordance with XRF nanotomography, distinct P/K-containing clusters close to the cellular envelope were surrounded by larger Ca-rich clusters. The transition metal Fe, which is part of nitrogenase enzyme, was detected as irregular shaped clusters. The elemental composition and cellular morphology of diazotrophic Anabaena sp. was visualized by multimodal imaging using AFM, SEM, and fluorescence microscopy. This paper discusses the first experimental results obtained with a combined in-line optical and X-ray fluorescence microscope at the Bionanoprobe.