Hvornår Fu-Shuang Li, en biokemiker og forsker ved Whitehead Institute i Cambridge, Massachusetts, havde brug for noget pollen til sin forskning, han vidste lige, hvor han skulle gå hen. Hvert forår frigiver pinjetræerne, der ringer ved Walden Pond i Concord, skyer af gyldne pollen, der dækker vandet og samler sig i galaktiske hvirvler mod kysten. Henry David Thoreau, der tilbragte to år ved siden af dammen i 1840'erne, afslutter sin berømte beretning om oplevelsen ved at beskrive så meget pollen, "du kunne have samlet en tøndefuld."
Krøjende ved dammens kant i en sort hættetrøje og joggingbukser dyppede Li i et reagensglas og trak et par hundrede milliliter vand ud, fyldt med pollen og hvad der ellers voksede i det. Det var langt fra en tønde fuld af tingene, men det var mere end nok for Lis bestræbelser på at studere den molekylære struktur af pollens ydre skal. Kaldet sporopollenin, materialet, der udgør skallen, er så sejt, at det nogle gange er blevet kaldt planteverdenens diamant.
I mere end et århundrede har forskere forsøgt at forstå det kemiske grundlag for sporopollenins enestående styrke. Sporopollenin beskytter DNA'et i pollen og sporer mod lys, varme, kulde og udtørring. Uden den ville planter ikke kunne leve på land. Men sporopollenins sejhed gjorde det svært at studere, selv årtier efter, at de molekylære strukturer af cellulose, lignin og andre grundlæggende plantepolymerer var blevet forvirret. "Naturen udviklede sporopollenin for at modstå ethvert angreb," sagde Li. "Inklusiv af videnskabsmænd."
For nylig kan sporopollenins forsvar dog være blevet overvundet. I 2018, Li og andre forskere ved Whitehead, ledet af plantebiologen Jing-Ke Weng, udgav den første komplette struktur af sporopollenin. Efterfølgende arbejde fra holdet, hvoraf noget af det endnu ikke er offentliggjort, har udfyldt flere detaljer om, hvordan forskellige grupper af planter har finjusteret denne struktur for bedre at imødekomme deres behov. Deres foreslåede struktur og det forbedrede syn på sporopollenin, det giver, er ikke uden kontroverser, men det har tydeliggjort molekylets væsentlige rolle i at hjælpe planter med at erobre landet.
Den inerte gåde
Alle frøplanter laver pollen; andre landplanter, såsom mos, producerer sporer. Ved at bære halvdelen af den genetiske information, som planterne har brug for for at formere sig, bevæger pollen og sporer sig gennem miljøet på vinden eller på et hjælpsomt dyr, for at nå en anden plante af deres art og befrugte dens ægcelle. Men undervejs skal pollen og sporer kæmpe med farer, der spænder fra dehydrering til solens ultraviolette stråler til sultne insekter. Siden planter først fandt køb på land for omkring 470 millioner år siden, har det været meget vigtigt at holde den genetiske information i pollen og sporer sikker under deres rejse til befrugtning.
Den vigtigste strategi, som planter anvender for at beskytte det DNA, er at indkapsle det i en specialiseret skal af sporopollenin, som er uigennemtrængelig for elementerne og blandt de hårdeste materialer, der produceres af noget levende. Den er fundet intakt i en halv milliard år gamle sten. EN 2016 papir fandt, at på grund af sporopollenins robusthed bevarede sporer deres stabilitet i diamantambolte ved tryk på 10 gigapascal eller 725 tons pr. kvadrattomme.
Forskere har kendt til og undret sig over sporopollenin siden mindst 1814. De observerede, at selv efter at resten af et pollenkorn eller en spore var kemisk opløst væk, var der altid et mærkeligt stof tilbage. I det meste af det næste århundrede arbejdede de, der studerede det i sporer og pollen, hver for sig, og refererede udelukkende til det som enten sporonin eller pollenin. Det blev døbt sporopollenin i 1931 for at formilde begge samfund.
I årtier derefter endte viden om molekylet stort set med navnet. Forskere erkendte, at sporopollenin kunne være nøglen til at forstå, hvordan planter erobrede næsten alle levesteder på Jorden, og de drømte om at bruge materialet til alt fra belægning af skibsskrog til beskyttelse af skrøbelige proteiner i orale vacciner. Men at få sporopollenins struktur og kemiske sammensætning var en forudsætning for yderligere arbejde, og sporopollenin frustrerede enhver indsats.
Kemikere bestemmer normalt strukturen af et komplekst molekyle ved at nedbryde det i dets bestanddele, finde strukturen af dem og derefter sætte dem sammen igen. Men sporopollenin var for inert til, at de sædvanlige kemiske midler kunne fordøje det. Startende i 1960'erne gjorde nye biokemiske metoder og massespektrometri nogle fremskridt med hensyn til strukturen og den kemiske sammensætning, og biologer udledte senere endda nogle detaljer fra viden om de gener og enzymatiske processer, der syntetiserer sporopollenin.
Ingen af disse metoder kunne dog levere et fuldstændigt billede af molekylet. Sporopollenin så ud til at have to parallelle rygrader lavet af molekyler kaldet polyketider, ikke ulig sukkerrygraden i den dobbelte helix af DNA. Disse rygrader så ud til at være forbundet af en vævning af forbindelser af forskellige typer. Men denne skitse var ufuldstændig, og nogle af resultaterne fra de biokemiske og genetiske metoder var i konflikt med hinanden.
"Det eneste, som alle var enige om, var den empiriske formel for sammensætningen af kulstof, brint, oxygen," sagde Joseph Banoub, professor i kemi og biokemi ved Memorial University of Newfoundland i Canada.
Pitch Pine Perfekt
Li begyndte at arbejde på sporopollenin kort efter at han kom til Wengs laboratorium på Whitehead Institute som postdoc i 2014. I Cambridge-kvarteret på Kendall Square, hvor biomedicinsk forskning er den primære besættelse, er laboratoriet et af de få steder, hvor folk studerer planter, med forskningsfokus på galaksen af botaniske molekyler, der forbliver ukarakteriserede.
Sporopollenin var en uimodståelig udfordring for Li. Dens funktion var velkendt, og generne for at lave den var i alle frø- og sporeproducerende planter, hvilket indebar, at sporopollenin var en grundlæggende tilpasning, der gjorde det muligt for planter at leve på land lige i begyndelsen af deres flugt fra havene. (Nogle arter af alger laver også et sporopollenin-lignende stof, hvilket tyder på, at landplanter tilpassede biosyntesen af det molekyle under deres udvikling.) Alligevel forblev kemien bag denne evne sløret.
Det ville have været poetisk, hvis Lis tidlige arbejde med sporopollenin havde brugt pollen indsamlet fra vandet i Walden Pond. Men bekvemmelighed overtrumfede romantikken: Pollenet, som hans team oprindeligt studerede, blev bestilt fra Amazon. (Pollen fra pitch pine, som rigeligt producerer tingene, sælges i vid udstrækning som et sundhedstilskud.) Resten kom fra Cape Cod.
I månedsvis kørte Li og hans samarbejdspartnere trial-and-error-test på forbindelser, der kan nedbryde andre hårde biopolymerer. Til sidst udviklede de en ny flertrinsproces, der kunne tage prøver af pollen, støde dem i en kuglefræser og kemisk knække de indeholdte sporopolleninmolekyler. Halvdelen af hvert molekyle brød ned i seks forskellige stykker, der derefter kunne karakteriseres ved massespektrometri.
Den anden halvdel af molekylet, som de kaldte R-gruppen (for "recalcitrant"), brød kun sammen, når det blev blandet med et andet opløsningsmiddel. De kunne få et delvist billede af R på denne måde, men processen forringede andre egenskaber ved molekylet, så Lis gruppe tyede til en mere eksotisk teknologi, solid-state nuklear magnetisk resonansspektroskopi, for at karakterisere det.
Blomster gjorde en forskel
Frugten af det arbejde, et papir offentliggjort i Natur Planter i december 2018 foreslog den mest komplette molekylære struktur af sporopollenin til dato.
I samtalen brugte Li sine hænder til at beskrive strukturens indviklede form. Med tommelfingeren og pegefingeren viste han, hvordan aromatiske molekyler hænger af rygraden i skiftende L-former. Han demonstrerede, hvordan rygraden er bundet sammen med tværbindingerne ved at pege den ene fladtrykte hånd ind i den anden i en vinkel, som om han var involveret i en eller anden mærkelig form for bøn. Disse grundlæggende enheder kobles sammen for at danne den komplette exin-skal, som antager radikalt forskellige former i forskellige planter, selvom de grundlæggende molekylære underenheder er grundlæggende ens.
Strukturen gav troværdighed til ideen om, at sporopollenins hårdførhed opstår fra de varierede, flettede forbindelser mellem rygraden. Disse ester- og etherbindinger er resistente over for henholdsvis basiske og sure betingelser; sammen modstår de begge. Den struktur, som Li's gruppe foreslog, omfattede også flere aromatiske molekyler, der vides at være resistente over for ultraviolet lys, hvilket stod for sporopollenins evne til at beskytte DNA fra elementerne.
"Uden disse metaboliske innovationer ville planter ikke have været i stand til at migrere fra vand til land i første omgang," skrev Weng i en e-mail til Quanta.
For nylig brugte Li og hans kolleger deres metode til at karakterisere sporopollenin fra mere end 100 forskellige landplantearter indsamlet fra botaniske haver omkring det nordøstlige USA. Ifølge Li, som forbereder sig på at indsende resultaterne af undersøgelsen til offentliggørelse, varierer strukturen af sporopollenin på tværs af plantetyper i et mærkeligt mønster.
De fandt ud af, at gymnospermer, landplantegruppen, der omfatter cycader og nåletræer som begfyr, og de såkaldte lavere landplanter som mosser og bregner har tendens til at have lange, lignende sporopolleniner. Dette giver mening, fordi disse planter spreder deres pollen frivilligt i vinden; de har brug for langkædet sporopollenin for at beskytte det.
Men blandt angiospermer eller blomstrende planter er situationen mere kompleks. Deres blomster skygger for deres pollen fra sol og udtørring, og insekter flytter effektivt pollen fra blomst til blomst, hvilket minimerer eksponeringen for andre risici. Følgelig behøver angiospermer ikke deres sporopollenin for at være så ensartet robust.
Og fremstilling af langkædet sporopollenin er en energikrævende proces, sagde Li, så "da blomster udviklede sig, ønskede de ikke at producere fyrre-lignende sporopollenin længere." Ifølge Li og Weng synes der at have udviklet sig betydelige forskelle mellem de sporopolleniner, der produceres af de to hovedkategorier af angiospermer, enkimbladede og dikotlede, som divergerer i strukturerne af deres embryoner, vaskulatur, stængler, rødder og blomster.
Naturligvis er forskellene ikke absolutte. Nogle blomstrende planter producerer sporopollenin med en fyrlignende struktur, sagde Li. "Måske, hvis vi havde yderligere 6 millioner år, kan de miste funktionen af dem," eller måske er der andre økologiske checks og balances på spil, der bevarer den sporopollenin-struktur for visse grupper af planter.
"Evolution er ikke en linje," sagde Li. "Som hvalerne. På et tidspunkt boede de på land; nu lever de i havet." Alligevel har hvaler stadig nogle landdyrkarakteristika. Måske bevarer nogle blomsterpollen forældede spor af deres egen historie.
Den mystiske polymer
Andre planteforskere er enige om, at Li og Wengs strukturelle arbejde med sporopollenin har forbedret vores viden om molekylet. Men ikke alle af dem er overbevist om, at deres forslag er korrekt, eller at det afslutter den århundredelange søgen efter sporopollenins struktur.
"Det var meget tydeligere end før," sagde Zhong-Nan Yang, en biolog, der studerer sporopollenin ved Shanghai Normal University. "Men det skal verificeres." Han sagde, at Li og hans kolleger stadig skal identificere de gener, der er ansvarlige for de enzymer, der er nødvendige for at lave visse træk ved fyrresporopollenin.
A 2020 undersøgelse rettet mod at "afmystificere og optrevle" den molekylære struktur af sporopollenin udgjorde en mere direkte udfordring. Ved at bruge et væld af metoder og arbejde på sporopollenin fra klubmos i stedet for fyrretræ nåede Banoubs gruppe ved Memorial University frem til en struktur, der på flere vigtige måder adskilte sig fra den, Li og Weng havde foreslået. Vigtigst af alt sagde Banoub: "Vi har bevist, at der ikke er nogen aromatiske forbindelser i sporopolleninet." Forskellen, mener han, kan forklares med forskelle mellem sporopollenin i fyrretræ og køllemos.
"Min personlige opfattelse er, at de ikke er korrekte," sagde Li, men han foretrækker ikke at kommentere yderligere, før nogle relevante resultater fra hans laboratorium er klar til offentliggørelse.
"Det er stadig ret mystisk polymer," kommenterede Teagen Quilichini, en plantebiolog ved Canadas National Research Council, som har studerede sporopollenin, i en e-mail. "På trods af hvad nogle rapporter antyder."
Hård, men stadig spiselig?
På trods af kontroverserne om deres struktur for sporopollenin, er Li og andre i Weng-laboratoriet gået videre til et andet evolutionært spørgsmål: Har naturen fundet ud af, hvordan man adskiller dette næsten uforgængelige materiale, den har sat sammen?
Da han vandrede rundt i Walden Pond på jagt efter andre pollenbelagte indløb, sammenlignede Li sporopollenin med lignin, plantepolymeren, der styrker træ og bark. Efter at træagtige planter først udviklede sig for omkring 360 millioner år siden, viser de geologiske optegnelser en overflod af fossiliseret lignin i lag i titusinder af år. Så pludselig for omkring 300 millioner år siden forsvinder ligninet. Dens forsvinden markerer det øjeblik, hvor en svamp kaldet hvid råd udviklede enzymer, der var i stand til at nedbryde lignin og spiste meget af det, før det kunne fossile.
Sporopollenin, ræsonnerede Li, skal også have en svamp eller anden mikrobe, der er i stand til at nedbryde det. Ellers ville vi drukne i tingene. Li's bagsideberegninger er, at der produceres 100 millioner tons sporopollenin i skovene hvert år. Det tager ikke engang højde for sporopollenin produceret af græsser. Hvis intet spiser det, hvor bliver det så af?
Dette er grunden til, at Li som kilde til sin seneste prøve af pollen valgte at give afkald på Amazon Prime til fordel for en dag ved Walden Pond. Observationer fra hans hold tyder på, at nogle mikroorganismer dyrket i petriskåle kan overleve, når de kun fodres med sporopollenin og nitrogen. Prøver fra Walden, som naturligt er fyldt med sømikrobielle samfund, skulle hjælpe Li med at bestemme, om populationer af svampe og andre mikrober i naturen kan låse op for næringsstofferne i sporopollenins tilsyneladende ubrydelige molekyler.
Mens vi snackede tang og granolastænger ved dammens kant, var det let at se hele situationen fra svampens perspektiv. Naturen hader at spilde et måltid - selv et måltid, der er så svært at tygge.
