Kun Fu-Shuang Li, biokemisti ja tutkija Whitehead Institutessa Cambridgessa, Massachusettsissa, tarvitsi siitepölyä tutkimukseensa, hän tiesi juuri minne mennä. Joka kevät Concordin Walden Pondissa soivat mäntypuut vapauttavat kultaisia siitepölypilviä, jotka peittävät veden ja kerääntyvät galaktisiin pyörteisiin rantaa vasten. Henry David Thoreau, joka asui kaksi vuotta lammen rannalla 1840-luvulla, päättää kuuluisan kertomuksensa kokemuksesta kuvailemalla niin paljon siitepölyä: "Olisit voinut kerätä tynnyrillisen".
Li kyykistyi lammen reunalla mustassa hupparissa ja verkkarishousuissa, ja Li kastoi koeputkeen ja otti sieltä muutama sata millilitraa vettä, joka oli täynnä siitepölyä ja mitä tahansa muuta siinä kasvoi. Se oli kaukana tynnyristä tavaraa, mutta se oli enemmän kuin tarpeeksi Li:n pyrkimyksille tutkia siitepölyn ulkokuoren molekyylirakennetta. Sporopolleniiniksi kutsuttu materiaali, joka muodostaa kuoren, on niin sitkeää, että sitä on joskus kutsuttu kasvimaailman timantiksi.
Yli vuosisadan tiedemiehet ovat yrittäneet ymmärtää sporopolleniinin vertaansa vailla olevan vahvuuden kemiallista perustaa. Sporopolleniini suojaa siitepölyn ja itiöiden DNA:ta valolta, lämmöltä, kylmältä ja kuivumiselta. Ilman sitä kasvit eivät voisi elää maalla. Mutta sporopolleniinin sitkeys vaikeutti tutkimista, jopa vuosikymmeniä sen jälkeen, kun selluloosan, ligniinin ja muiden kasviperäisten peruspolymeerien molekyylirakenteet oli hämmentynyt. "Luonto kehitti sporopolleniinin vastustamaan kaikkia hyökkäyksiä", sanoi Li. "Mukaan lukien tiedemiehet."
Äskettäin sporopolleniinin puolustus on kuitenkin saatettu voittaa. Vuonna 2018 Li ja muut Whiteheadin tutkijat, joita johti kasvibiologi Jing-Ke Weng, julkaisi ensimmäisen täydellisen sporopolleniinin rakenteen. Ryhmän myöhempi työ, joista osa ei ole vielä julkaistu, on täyttänyt lisätietoja siitä, kuinka eri kasviryhmät hienosääsivät tätä rakennetta vastaamaan paremmin tarpeitaan. Niiden ehdotettu rakenne ja sen tarjoama parannettu näkymä sporopolleniinista ei ole kiistaton, mutta se on selventänyt molekyylin olennaista roolia kasvien auttamisessa valloittamaan maan.
Inertti Enigma
Kaikki kylvökasvit tuottavat siitepölyä; muut maakasvit, kuten sammal, tuottavat itiöitä. Siitepöly ja itiöt kantavat puolet siitä geneettisestä tiedosta, jota kasvit tarvitsevat lisääntyäkseen, ja ne liikkuvat ympäristön läpi tuulen tai hyödyllisen eläimen mukana saavuttaakseen lajinsa toisen kasvin ja hedelmöittääkseen sen munasolun. Mutta matkan varrella siitepölyn ja itiöiden on kohdattava vaaroja, jotka vaihtelevat kuivumisesta auringon ultraviolettisäteisiin ja nälkäisiin hyönteisiin. Siitä lähtien, kun kasvit ostettiin ensimmäistä kertaa maalta noin 470 miljoonaa vuotta sitten, siitepölyn ja itiöiden sisältämän geneettisen tiedon turvassa pitäminen hedelmöitysmatkansa aikana on ollut erittäin tärkeää.
Päästrategia, jota kasvit käyttävät suojellakseen tätä DNA:ta, on koteloida se erikoistuneeseen sporopolleniinikuoreen, joka on elementtejä läpäisemätön ja yksi kovimmista minkä tahansa elävän olennon tuottamasta materiaalista. Se on löydetty ehjänä puoli miljardia vuotta vanhoista kivistä. A 2016 paperi havaitsivat, että sporopolleniinin kestävyyden vuoksi itiöt säilyttivät stabiiliutensa timanttialasinassa 10 gigapascalin tai 725 tonnin paineissa neliötuumaa kohti.
Tutkijat ovat tienneet ja ihmetelleet sporopolleniinia ainakin vuodesta 1814 lähtien. He havaitsivat, että vaikka loput siitepölyn jyvät tai itiöt oli liuenneet kemiallisesti pois, jäi aina outo aine. Suurimman osan seuraavasta vuosisadasta sitä itiöissä ja siitepölyssä tutkivat työskentelivät erikseen, viitaten siihen yksinomaan joko sporoniinina tai siitepölynä. Se nimettiin sporopolleniiniksi vuonna 1931 molempien yhteisöjen rauhoittamiseksi.
Sen jälkeen vuosikymmeniä tieto molekyylistä päätyi suurelta osin nimeen. Tutkijat ymmärsivät, että sporopolleniini voi olla avainasemassa sen ymmärtämisessä, kuinka kasvit valloittivat lähes kaikki maapallon elinympäristöt, ja he haaveilivat materiaalin käyttämisestä kaikkeen laivojen runkojen päällystämiseen hauraiden proteiinien suojaamiseen oraalisissa rokotteissa. Mutta sporopolleniinin rakenteen ja kemiallisen koostumuksen selvittäminen oli edellytys kaikelle jatkotyölle, ja sporopolleniini turhautti kaikki ponnistelut.
Kemistit määrittävät yleensä monimutkaisen molekyylin rakenteen hajottamalla sen osaosiin, etsimällä niiden rakenteen ja yhdistämällä ne sitten takaisin yhteen. Mutta sporopolleniini oli liian inertti, jotta tavanomaiset kemialliset aineet pystyisivät sulattamaan sitä. 1960-luvulta lähtien uudet biokemialliset menetelmät ja massaspektrometria edistyivät jonkin verran rakenteessa ja kemiallisessa koostumuksessa, ja myöhemmin biologit jopa päättelivät joitain yksityiskohtia tiedosta geeneistä ja entsymaattisista prosesseista, jotka syntetisoivat sporopolleniinia.
Mikään näistä menetelmistä ei kuitenkaan voinut antaa täydellistä kuvaa molekyylistä. Sporopolleniinilla näytti olevan kaksi rinnakkaista runkoa, jotka koostuivat polyketideiksi kutsutuista molekyyleistä, toisin kuin DNA:n kaksoiskierteen sokerirungot. Nämä selkärangat näyttivät olevan yhteydessä erityyppisten sidosten kudoksiin. Mutta tämä luonnos oli epätäydellinen, ja jotkut biokemiallisten ja geneettisten menetelmien havainnoista olivat ristiriidassa keskenään.
"Ainoa asia, josta kaikki olivat yhtä mieltä, oli empiirinen kaava hiilen, vedyn ja hapen koostumukselle", sanoi Joseph Banoub, kemian ja biokemian professori Memorial University of Newfoundlandissa Kanadassa.
Pitch Pine Perfect
Li aloitti työskentelyn sporopolleniinin parissa pian sen jälkeen, kun hän liittyi Wengin laboratorioon Whitehead-instituutissa postdocina vuonna 2014. Cambridgen kaupunginosassa Kendall Squarella, jossa biolääketieteellinen tutkimus on ensisijainen pakkomielle, laboratorio on yksi harvoista paikoista, joissa ihmiset tutkivat kasveja, tutkimus keskittyy karakterisoimattomien kasvitieteellisten molekyylien galaksiin.
Sporopolleniini oli Lille vastustamaton haaste. Sen tehtävä tunnettiin hyvin, ja sen valmistusgeenit olivat jokaisessa siemeniä ja itiöitä tuottavassa kasveissa, mikä merkitsi sitä, että sporopolleniini oli perussopeutus, joka mahdollisti kasvien elämään maalla valtameristä pakenemisen alussa. (Jotkut levälajit tuottavat myös sporopolleniinin kaltaista ainetta, mikä viittaa siihen, että maakasvit mukauttivat kyseisen molekyylin biosynteesiä evoluution aikana.) Silti tämän kyvyn taustalla oleva kemia jäi epäselväksi.
Olisi ollut runollista, jos Li:n varhaisessa työssä sporopolleniinista olisi käytetty Walden Pondin vesistä kerättyä siitepölyä. Mutta mukavuus voitti romanssin: hänen tiiminsä alun perin tutkima siitepöly tilattiin Amazonista. (Pikimäntyjen siitepölyä, joka tuottaa runsaasti tavaraa, myydään laajalti terveyslisänä.) Loput tuli Cape Codista.
Li ja hänen työtoverinsa suorittivat kuukausien ajan yritys-erehdystestejä yhdisteille, jotka voivat hajottaa muita kovia biopolymeerejä. Lopulta he kehittivät uuden monivaiheisen prosessin, joka voisi ottaa näytteitä siitepölystä, lyödä ne kuulajyrsimessä ja murtaa kemiallisesti sisältämät sporopolleniinimolekyylit. Puolet jokaisesta molekyylistä hajosi kuuteen erilliseen osaan, jotka voitiin sitten karakterisoida massaspektrometrialla.
Molekyylin toinen puolisko, jota he kutsuivat R-ryhmäksi ("toistaiseksi"), hajosi vain, kun se sekoitettiin toisen liuotusaineen kanssa. He saattoivat saada osittaisen kuvan R:stä tällä tavalla, mutta prosessi heikensi molekyylin muita ominaisuuksia, joten Li:n ryhmä turvautui eksoottisempaan tekniikkaan, solid-state ydinmagneettiseen resonanssispektroskopiaan, karakterisoidakseen sitä.
Kukat tekivät eron
Sen työn hedelmä, paperi julkaistu Luonto kasvit joulukuussa 2018 ehdotti sporopolleniinin tähän mennessä täydellisintä molekyylirakennetta.
Keskustelussa Li kuvaili käsiään rakenteen monimutkaista muotoa. Peukalolla ja etusormellaan hän osoitti, kuinka aromaattiset molekyylit riippuvat selkärangasta vuorotellen L-muodossa. Hän osoitti, kuinka selkäranka on sidottu ristisidoksiin osoittamalla litteää kättä toiseen kulmaan, ikään kuin osallistuisi johonkin outoon rukousmuotoon. Nämä perusyksiköt liittyvät toisiinsa muodostaen täydellisen eksiinikuoren, joka saa radikaalisti erilaisia muotoja eri kasveissa, vaikka molekyylin perusalayksiköt ovat pohjimmiltaan samanlaisia.
Rakenne antoi uskoa ajatukselle, että sporopolleniinin sitkeys johtuu runkojen välisistä vaihtelevista punotuista sidoksista. Nämä esteri- ja eetterisidokset kestävät vastaavasti emäksisiä ja happamia olosuhteita; yhdessä he vastustavat molempia. Li:n ryhmän ehdottama rakenne sisälsi myös useita aromaattisia molekyylejä, joiden tiedettiin olevan vastustuskykyisiä ultraviolettivalolle, mikä selitti sporopolleniinin kyvyn suojata DNA:ta elementeiltä.
"Ilman näitä aineenvaihdunnan innovaatioita kasvit eivät olisi voineet siirtyä vedestä maahan", Weng kirjoitti sähköpostissa. Quanta.
Äskettäin Li ja hänen kollegansa käyttivät menetelmäään luonnehtiakseen sporopolleniinia yli 100:sta erilaisesta maakasvilajista, jotka on kerätty kasvitieteellisistä puutarhoista ympäri Yhdysvaltojen koillisosaa. Tutkimuksen tuloksia julkaisuun valmistautuvan Li:n mukaan sporopolleniinin rakenne vaihtelee kasvityypeittäin omituisella tavalla.
He havaitsivat, että siemenkota, maakasviryhmä, joka sisältää kykadit ja havupuut, kuten pikimänty, ja niin kutsutut alamaan kasvit, kuten sammalet ja saniaiset, sisältävät yleensä pitkiä, samanlaisia sporopolleniineja. Tämä on järkevää, koska nämä kasvit levittävät siitepölyään tuulen mukana; he tarvitsevat pitkäketjuista sporopolleniinia suojellakseen sitä.
Mutta koppisiementen tai kukkivien kasvien joukossa tilanne on monimutkaisempi. Niiden kukat varjostavat siitepölyään auringolta ja kuivumiselta, ja hyönteiset siirtävät siitepölyä tehokkaasti kukasta kukkaan minimoiden altistumisen muille riskeille. Näin ollen koppisiementen ei tarvitse olla sporopolleniiniaan niin tasaisesti vankkoja.
Ja pitkäketjuisen sporopolleniinin valmistaminen on energiaintensiivinen prosessi, Li sanoi, joten "kun kukat kehittyivät, he eivät enää halunneet tuottaa männyn kaltaista sporopolleniinia." Li ja Wengin mukaan näyttävät kehittyneen merkittäviä eroja kahden pääluokan koppisiementen, yksisirkkaisten ja kaksisirkkaisten, tuottamien sporopolleniinien välillä, jotka eroavat toisistaan alkioidensa, verisuonten, varsien, juurien ja kukkien rakenteissa.
Tietenkin erot eivät ole ehdottomia. Jotkut kukkivat kasvit tuottavat sporopolleniinia, jolla on mäntymäinen rakenne, sanoi Li. "Ehkä jos meillä olisi vielä 6 miljoonaa vuotta, ne voivat menettää niiden toiminnan", tai ehkä on olemassa muita ekologisia rajoituksia ja tasapainoa, jotka säilyttävät sporopolleniinirakenteen tietyissä kasviryhmissä.
"Evoluutio ei ole linja", sanoi Li. "Kuten valaat. Yhdessä vaiheessa he asuivat maalla; nyt he asuvat meressä." Silti valailla on edelleen joitain maaeläinominaisuuksia. Ehkä joissakin kukkien siitepölyissä on vanhentuneita jälkiä omasta historiastaan.
Salaperäinen polymeeri
Muut kasvitutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että Li ja Wengin sporopolleniinin rakennetyö on parantanut tietämysämme molekyylistä. Mutta kaikki eivät ole vakuuttuneita siitä, että heidän ehdotuksensa on oikea tai että se päättää vuosisadan kestäneen sporopolleniinin rakenteen etsinnän.
"Se oli paljon selkeämpi kuin ennen", sanoi Zhong-Nan Yang, biologi, joka opiskelee sporopolleniinia Shanghain normaalissa yliopistossa. "Mutta se on tarkistettava." Hän sanoi Li ja hänen kollegoidensa vielä tunnistaa geenit, jotka vastaavat entsyymeistä, joita tarvitaan männyn sporopolleniinin tiettyjen ominaisuuksien tuottamiseen.
A 2020 tutkimus Sporopolleniinin molekyylirakenteen "demystifioiminen ja purkaminen" aiheutti suoramman haasteen. Banoubin ryhmä Memorial Universityssä päätyi rakenteeseen, joka poikkesi useilla tärkeillä tavoilla Li ja Wengin ehdottamasta rakenteesta käyttämällä joukkoa menetelmiä ja työskennellyt sporopolleniinilla, joka oli peräisin mailan sammalta kuin männystä. Mikä tärkeintä, Banoub sanoi: "Olemme osoittaneet, että sporopolleniinissa ei ole aromaattisia yhdisteitä." Hänen mielestään ero voi johtua männyn ja sammalen välisistä eroista.
"Henkilökohtainen näkemykseni on, että ne eivät pidä paikkaansa", Li sanoi, mutta hän ei halua kommentoida enempää, ennen kuin jotkin hänen laboratorionsa asiaankuuluvat tulokset ovat valmiita julkaistavaksi.
"Se on edelleen melko mystinen polymeeri", kommentoi Teagen Quilichini, Kanadan kansallisen tutkimusneuvoston kasvibiologi. tutkinut sporopolleniinia, sähköpostissa. "Huolimatta siitä, mitä jotkut raportit ehdottavat."
Kova mutta silti syötävä?
Huolimatta kiistoista niiden sporopolleniinin rakenteesta, Li ja muut Weng-laboratoriossa ovat siirtyneet toiseen evoluutiokysymykseen: Onko luonto keksinyt, kuinka purkaa tämä lähes tuhoutumaton materiaali, jonka se kokosi?
Kun hän vaelsi Walden Pondin ympärillä etsiessään muita siitepölyllä päällystettyjä aukkoja, Li vertasi sporopolleniinia ligniiniin, kasvipolymeeriin, joka vahvistaa puuta ja kuorta. Sen jälkeen kun puumaiset kasvit kehittyivät ensimmäisen kerran noin 360 miljoonaa vuotta sitten, geologiset tiedot osoittavat, että kerrostumissa on runsaasti fossiiloitua ligniiniä kymmenien miljoonien vuosien ajan. Sitten yhtäkkiä noin 300 miljoonaa vuotta sitten ligniini katoaa. Sen katoaminen merkitsee hetkeä, jolloin valkomädäksi kutsuttu sieni kehitti entsyymejä, jotka pystyivät hajottamaan ligniiniä, ja söivät suuren osan siitä ennen kuin se ehti fossiiloitua.
Sporopolleniinilla, Li perusteli, täytyy myös olla sieni tai muu mikrobi, joka pystyy hajottamaan sen. Muuten hukkuisimme tavaraan. Li:n taustalaskelmat ovat, että metsissä tuotetaan 100 miljoonaa tonnia sporopolleniinia vuosittain. Tämä ei edes ota huomioon ruohojen tuottamaa sporopolleniinia. Jos mikään ei syö sitä, mihin se kaikki menee?
Tästä syystä Li päätti viimeisimmän siitepölynäytteensä lähteenä luopua Amazon Primesta ja viettää päivän Walden Pondissa. Hänen tiiminsä havainnot viittaavat siihen, että jotkin petrimaljoissa kasvatetut mikro-organismit voivat selviytyä, kun niille ei ruokita muuta kuin sporopolleniinia ja typpeä. Waldenista peräisin olevien näytteiden, jotka ovat luonnostaan täynnä järvimikrobiyhteisöjä, pitäisi auttaa Li:tä määrittämään, voivatko sieni- ja muut mikrobipopulaatiot luonnossa vapauttaa ravinteita sporopolleniinin näennäisesti rikkoutumattomissa molekyyleissä.
Kun söimme lammen laidalla merilevää ja granolapatukat, oli helppo nähdä koko tilanne sienten näkökulmasta. Luonto vihaa aterian tuhlaamista – jopa niin vaikeaa pureskeltavaa.
