Cuándo Fu-Shuang Li, un bioquímico e investigador científico del Instituto Whitehead en Cambridge, Massachusetts, necesitaba polen para su investigación, sabía exactamente adónde ir. Cada primavera, los pinos que rodean Walden Pond en Concord liberan nubes de polen dorado que cubren el agua y se acumulan en remolinos galácticos contra la orilla. Henry David Thoreau, que pasó dos años viviendo junto al estanque en la década de 1840, cierra su famoso relato de la experiencia describiendo tanto polen que "podrías haber recogido un barril".
Agachada en la orilla del estanque con una sudadera con capucha negra y pantalones de chándal, Li sumergió un tubo de ensayo y extrajo unos cientos de mililitros de agua, cargada de polen y cualquier otra cosa que creciera en ella. Estaba lejos de ser un barril lleno del material, pero fue más que suficiente para los esfuerzos de Li por estudiar la estructura molecular de la capa exterior del polen. Llamado esporopolenina, el material que forma el caparazón es tan resistente que a veces se le ha llamado el diamante del mundo vegetal.
Durante más de un siglo, los científicos han tratado de comprender la base química de la fuerza sin igual de la esporopolenina. La esporopolenina protege el ADN del polen y las esporas de la luz, el calor, el frío y la desecación. Sin él, las plantas no podrían vivir en la tierra. Pero la dureza de la esporopolenina dificultó su estudio, incluso décadas después de que se descifraran las estructuras moleculares de la celulosa, la lignina y otros polímeros vegetales básicos. “La naturaleza evolucionó la esporopolenina para resistir cualquier ataque”, dijo Li. “Incluso por científicos”.
Recientemente, sin embargo, las defensas de la esporopolenina pueden haber sido superadas. En 2018, Li y otros investigadores de Whitehead, dirigidos por el biólogo de plantas Jing Ke Weng, publicó la primera estructura completa de la esporopolenina. El trabajo posterior del equipo, parte del cual aún no se ha publicado, ha proporcionado más detalles sobre cómo varios grupos de plantas ajustaron esa estructura para satisfacer mejor sus necesidades. Su estructura propuesta y la visión mejorada de la esporopolenina que ofrece no está exenta de controversia, pero ha aclarado el papel esencial de la molécula para ayudar a las plantas a conquistar la tierra.
El enigma inerte
Todas las plantas con semillas producen polen; otras plantas terrestres, como el musgo, producen esporas. Con la mitad de la información genética que las plantas necesitan para reproducirse, el polen y las esporas se mueven por el medio ambiente en el viento o en un animal útil, para llegar a otra planta de su especie y fertilizar su óvulo. Pero en el camino, el polen y las esporas deben enfrentarse a peligros que van desde la deshidratación hasta los rayos ultravioleta del sol y los insectos hambrientos. Desde que las plantas se encontraron por primera vez en la tierra hace unos 470 millones de años, mantener segura la información genética dentro del polen y las esporas durante su viaje hacia la fertilización ha sido de vital importancia.
La principal estrategia que emplean las plantas para proteger ese ADN es encerrarlo en una capa especializada de esporopolenina, que es impermeable a los elementos y se encuentra entre los materiales más resistentes producidos por cualquier ser vivo. Se ha encontrado intacto en rocas de XNUMX millones de años. A papel 2016 descubrió que debido a la robustez de la esporopolenina, las esporas mantuvieron su estabilidad en yunques de diamante a presiones de 10 gigapascales, o 725 toneladas por pulgada cuadrada.
Los investigadores conocen y se preguntan acerca de la esporopolenina desde al menos 1814. Observaron que incluso después de que el resto de un grano de polen o una espora se disolviera químicamente, siempre quedaba una sustancia extraña. Durante la mayor parte del siglo siguiente, quienes lo estudiaron en esporas y polen trabajaron por separado, refiriéndose a él exclusivamente como esporonina o polenina. Fue apodado esporopolenina en 1931 para apaciguar a ambas comunidades.
Durante décadas a partir de entonces, el conocimiento sobre la molécula terminó en gran medida con el nombre. Los investigadores reconocieron que la esporopolenina podría ser clave para comprender cómo las plantas conquistaron casi todos los hábitats de la Tierra y soñaron con usar el material para todo, desde recubrir los cascos de los barcos hasta proteger las proteínas frágiles en las vacunas orales. Pero obtener la estructura y la composición química de la esporopolenina era un requisito previo para cualquier trabajo posterior, y la esporopolenina frustró todos los esfuerzos.
Los químicos generalmente determinan la estructura de una molécula compleja descomponiéndola en sus partes constituyentes, encontrando la estructura de ellas y luego volviéndolas a unir. Pero la esporopolenina era demasiado inerte para que los agentes químicos habituales la digirieran. A partir de la década de 1960, los nuevos métodos bioquímicos y la espectrometría de masas lograron algunos avances en la estructura y la composición química, y los biólogos incluso infirieron más tarde algunos detalles a partir del conocimiento de los genes y los procesos enzimáticos que sintetizan la esporopolenina.
Sin embargo, ninguno de estos métodos pudo ofrecer una imagen completa de la molécula. La esporopolenina parecía tener dos columnas vertebrales paralelas hechas de moléculas llamadas policétidos, no muy diferentes de las columnas vertebrales de azúcar en la doble hélice del ADN. Estas columnas vertebrales parecían estar conectadas por un tejido de vínculos de diferentes tipos. Pero este esbozo estaba incompleto y algunos de los hallazgos de los métodos bioquímicos y genéticos estaban en conflicto entre sí.
“Lo único en lo que todos estuvieron de acuerdo fue en la fórmula empírica para la composición de carbono, hidrógeno, oxígeno”, dijo jose banoub, profesor de química y bioquímica en la Memorial University of Newfoundland en Canadá.
Pino de brea perfecto
Li comenzó a trabajar en la esporopolenina poco después de unirse al laboratorio de Weng en el Instituto Whitehead como posdoctorado en 2014. En el vecindario de Kendall Square en Cambridge, donde la investigación biomédica es la principal obsesión, el laboratorio es uno de los pocos lugares donde la gente estudia plantas, con un enfoque de investigación en la galaxia de moléculas botánicas que permanecen sin caracterizar.
La esporopolenina fue un desafío irresistible para Li. Su función era bien conocida y los genes para fabricarlo estaban en todas las plantas productoras de semillas y esporas, lo que implicaba que la esporopolenina era una adaptación básica que permitía a las plantas vivir en tierra al comienzo de su escape de los océanos. (Algunas especies de algas también producen una sustancia similar a la esporopolenina, lo que sugiere que las plantas terrestres adaptaron la biosíntesis de esa molécula durante su evolución). Sin embargo, la química detrás de esa capacidad seguía siendo borrosa.
Hubiera sido poético si los primeros trabajos de Li sobre la esporopolenina hubieran utilizado polen recolectado de las aguas de Walden Pond. Pero la conveniencia triunfó sobre el romance: el polen que su equipo estudió inicialmente se ordenó a Amazon. (El polen de pino de brea, que produce abundantemente el material, se vende ampliamente como suplemento para la salud). El resto vino de Cape Cod.
Durante meses, Li y sus colaboradores realizaron pruebas de ensayo y error en compuestos que pueden degradar otros biopolímeros resistentes. Eventualmente, desarrollaron un nuevo proceso de varios pasos que podría tomar muestras de polen, golpearlas en una máquina de molienda de bolas y fracturar químicamente las moléculas de esporopolenina contenidas. La mitad de cada molécula se descompuso en seis partes distintas que luego podrían caracterizarse mediante espectrometría de masas.
La otra mitad de la molécula, a la que llamaron grupo R (por "recalcitrante"), solo se descompuso cuando se mezcló con otro agente disolvente. Pudieron obtener una vista parcial de R de esta manera, pero el proceso degradó otras características de la molécula, por lo que el grupo de Li recurrió a una tecnología más exótica, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido, para caracterizarla.
Las flores marcaron la diferencia
El fruto de ese trabajo, un papel publicado en Nature Plants en diciembre de 2018, propuso la estructura molecular de esporopolenina más completa hasta la fecha.
En la conversación, Li usó sus manos para describir la forma intrincada de la estructura. Con el pulgar y el índice, mostró cómo las moléculas aromáticas cuelgan de la columna vertebral en formas de L alternas. Demostró cómo la columna vertebral está unida con los enlaces cruzados apuntando una mano plana hacia la otra en ángulo, como si estuviera realizando una extraña forma de oración. Estas unidades básicas se unen para formar la capa de exina completa, que adquiere formas radicalmente diferentes en diferentes plantas, aunque las subunidades moleculares básicas son fundamentalmente similares.
La estructura dio crédito a la idea de que la resistencia de la esporopolenina surge de los variados enlaces trenzados entre las columnas vertebrales. Estos enlaces éster y éter son resistentes, respectivamente, a condiciones básicas y ácidas; juntos resisten a ambos. La estructura que propuso el grupo de Li también incluía varias moléculas aromáticas que se sabe que son resistentes a la luz ultravioleta, lo que explica la capacidad de la esporopolenina para proteger el ADN de los elementos.
"Sin estas innovaciones metabólicas, las plantas no habrían podido migrar del agua a la tierra en primer lugar", escribió Weng en un correo electrónico a cuantos
Recientemente, Li y sus colegas utilizaron su método para caracterizar la esporopolenina de más de 100 especies diversas de plantas terrestres recolectadas en jardines botánicos del noreste de los Estados Unidos. Según Li, que se está preparando para enviar los resultados del estudio para su publicación, la estructura de la esporopolenina varía según los tipos de plantas en un patrón curioso.
Descubrieron que las gimnospermas, el grupo de plantas terrestres que incluye cícadas y coníferas como el pino, y las llamadas plantas terrestres inferiores como los musgos y los helechos tienden a tener esporopoleninas largas y similares. Esto tiene sentido porque estas plantas diseminan su polen por el viento; necesitan esporopolenina de cadena larga para protegerlo.
Pero entre las angiospermas, o plantas con flores, la situación es más compleja. Sus flores protegen su polen del sol y la desecación, y los insectos mueven eficientemente el polen de flor en flor, minimizando la exposición a otros riesgos. En consecuencia, las angiospermas no necesitan que su esporopolenina sea tan uniformemente robusta.
Y hacer esporopolenina de cadena larga es un proceso que consume mucha energía, dijo Li, por lo que "cuando las flores evolucionaron, ya no querían producir esporopolenina similar al pino". Según Li y Weng, parecen haber evolucionado diferencias significativas entre las esporopoleninas producidas por las dos categorías principales de angiospermas, monocotiledóneas y dicotiledóneas, que divergen en las estructuras de sus embriones, vasculatura, tallos, raíces y flores.
Por supuesto, las distinciones no son absolutas. Algunas plantas con flores producen esporopolenina con una estructura similar a la de un pino, dijo Li. "Tal vez si tuviéramos otros 6 millones de años, podrían perder la función de esos", o tal vez hay otros controles y equilibrios ecológicos en juego que preservan esa estructura de esporopolenina para ciertos grupos de plantas.
“La evolución no es una línea”, dijo Li. “Como las ballenas. En un momento vivieron en la tierra; ahora viven en el océano”. Sin embargo, las ballenas todavía tienen algunas características de animales terrestres. Quizás algunos pólenes de flores conserven rastros obsoletos de su propia historia.
El polímero misterioso
Otros investigadores de plantas están de acuerdo en que el trabajo estructural de Li y Weng sobre la esporopolenina ha mejorado nuestro conocimiento de la molécula. Pero no todos están convencidos de que su propuesta sea correcta o que concluya la búsqueda de un siglo de la estructura de la esporopolenina.
“Era mucho más claro que antes”, dijo Zhong Nan Yang, un biólogo que estudia esporopolenina en la Universidad Normal de Shanghái. “Pero necesita ser verificado”. Dijo que Li y sus colegas aún deben identificar los genes responsables de las enzimas necesarias para producir ciertas características de la esporopolenina de pino.
A estudio del 2020 dirigido a "desmitificar y desentrañar" la estructura molecular de la esporopolenina planteó un desafío más directo. Usando una serie de métodos y trabajando con esporopolenina de musgo de club en lugar de pino, el grupo de Banoub en la Universidad Memorial llegó a una estructura que difería en varios aspectos importantes de la propuesta por Li y Weng. Lo más importante, dijo Banoub, "hemos demostrado que no hay compuestos aromáticos dentro de la esporopolenina". Él piensa que la disparidad podría explicarse por las diferencias entre la esporopolenina en el pino y el musgo club.
“Mi opinión personal es que no son correctos”, dijo Li, pero prefiere no hacer más comentarios hasta que algunos resultados relevantes de su laboratorio estén listos para su publicación.
"Sigue siendo un polímero bastante misterioso", comentó Teagen Quilichini, biólogo de plantas del Consejo Nacional de Investigación de Canadá que ha estudió la esporopolenina, en un correo electrónico. "A pesar de lo que sugieren algunos informes”.
¿Duro pero todavía comestible?
A pesar de las controversias sobre su estructura para la esporopolenina, Li y otros en el laboratorio de Weng han pasado a otra pregunta evolutiva: ¿Ha descubierto la naturaleza cómo desarmar este material casi indestructible que reunió?
Mientras caminaba por Walden Pond en busca de otras entradas cubiertas de polen, Li comparó la esporopolenina con la lignina, el polímero vegetal que fortalece la madera y la corteza. Después de que las plantas leñosas evolucionaran por primera vez hace unos 360 millones de años, el registro geológico muestra una abundancia de lignina fosilizada en los estratos durante decenas de millones de años. Luego, de repente, hace unos 300 millones de años, la lignina desaparece. Su desaparición marca el momento en que un hongo llamado podredumbre blanca desarrolló enzimas capaces de degradar la lignina y se comió gran parte de ella antes de que pudiera fosilizarse.
La esporopolenina, razonó Li, también debe tener un hongo u otro microbio capaz de descomponerla. De lo contrario, nos estaríamos ahogando en las cosas. Los cálculos al reverso del sobre de Li son que cada año se producen 100 millones de toneladas de esporopolenina en los bosques. Eso ni siquiera tiene en cuenta la esporopolenina producida por los pastos. Si nada se lo come, ¿adónde va todo?
Por eso, como fuente de su última muestra de polen, Li optó por renunciar a Amazon Prime en favor de un día en Walden Pond. Las observaciones de su equipo sugieren que algunos microorganismos cultivados en placas de Petri pueden sobrevivir cuando se alimentan únicamente con esporopolenina y nitrógeno. Las muestras de Walden, que están naturalmente llenas de comunidades microbianas del lago, deberían ayudar a Li a determinar si las poblaciones de hongos y otros microbios en la naturaleza pueden desbloquear los nutrientes en las moléculas aparentemente irrompibles de la esporopolenina.
Mientras comíamos algas marinas y barras de granola a la orilla del estanque, era fácil ver toda la situación desde la perspectiva de los hongos. La naturaleza odia desperdiciar una comida, incluso una tan difícil de masticar.
