纳米成像有助于了解古代骨骼中的蛋白质和组织保存情况

北卡罗来纳州立大学的一项初步研究表明，古代骨骼的纳米级 3D 成像不仅可以进一步了解软组织在石化过程中所经历的变化，而且还有潜力成为一种快速、实用的方法，可以确定哪些标本可能是古代 DNA 和蛋白质序列保存的候选者。这项研究发表在iScience上。

“古生物学家已经研究骨骼化石几个世纪了，但我们仍然不完全了解骨骼有机软组织(如胶原蛋白或血管)的石化过程，以及它们如何在长时间内保存下来，”北卡罗来纳州立大学研究生兼研究作者兰登·安德森说。

“我使用纳米成像方法比较现代骨骼和冰河时代的骨骼，以便更好地了解胶原蛋白和血管在化石形成过程中所发生的变化。”

安德森将现代牛、鳄鱼和鸵鸟的腿骨小样本与更新世时期的猛犸象、草原野牛、驯鹿和马的腿骨小样本进行了比较。更新世样本均来自加拿大育空地区融化的古老永久冻土层。

将稀酸溶液涂抹在样本上，骨骼的矿物质部分溶解，留下底层的胶原蛋白框架。使用高达 150,000 倍放大倍数的扫描电子显微镜(SEM)，安德森能够对脱矿骨样本中的胶原蛋白纤维和血管进行成像。

安德森使用飞行时间二次电离质谱(ToF-SIMS)扫描成像结构的表面，识别出结构中存在的化学特征，并进一步确认它们是胶原蛋白和血管。

“成像数据和 ToF-SIMS 显示，冰河时代的样本仍然由原始的、未石化的骨组织组成——它们是亚化石，仍然保留着许多原始的、未改变的有机组织和蛋白质，类似于现代骨骼，”安德森说。“这项试点研究的基本思想是，这种纳米级方法可以用于整个化石记录中的骨骼，以更好地了解有机组织在石化过程中发生的化学和结构变化。”

该技术还可潜在地用作筛选古代骨骼样本以保存 DNA 和蛋白质序列的替代方法。

安德森说：“电子显微镜成像可以让你直接看到骨的纳米级胶原纤维，它们本质上是胶原蛋白分子束。”

“胶原蛋白非常坚固，因此对于缺乏这些纤维的古代骨骼标本，如果这些纤维已经降解，那么样本中也不太可能存在任何可恢复的 DNA，蛋白质含量至少会降低。这项技术可能是筛选候选样本进行进一步分子分析的第一步。”