Ketika Fu Shuang Li, seorang ahli biokimia dan ilmuwan penelitian di Institut Whitehead di Cambridge, Massachusetts, membutuhkan beberapa serbuk sari untuk penelitiannya, dia tahu ke mana harus pergi. Setiap musim semi, pohon pinus yang mengelilingi Walden Pond di Concord melepaskan awan serbuk sari emas yang melapisi air dan berkumpul dalam pusaran galaksi di tepi pantai. Henry David Thoreau, yang menghabiskan dua tahun tinggal di samping kolam pada tahun 1840-an, menutup kisahnya yang terkenal tentang pengalaman itu dengan menggambarkan begitu banyak serbuk sari, "Anda bisa mengumpulkan satu tong."
Berjongkok di tepi kolam dengan tudung hitam dan celana olahraga, Li mencelupkan ke dalam tabung reaksi, mengeluarkan beberapa ratus mililiter air, sarat dengan serbuk sari dan apa pun yang tumbuh di dalamnya. Itu jauh dari satu tong penuh barang, tapi itu lebih dari cukup bagi upaya Li untuk mempelajari struktur molekul kulit terluar serbuk sari. Disebut sporopollenin, bahan yang membentuk cangkang sangat keras sehingga kadang-kadang disebut intan dunia tumbuhan.
Selama lebih dari satu abad, para ilmuwan telah mencoba memahami dasar kimia untuk kekuatan sporopollenin yang tak tertandingi. Sporopollenin melindungi DNA dalam serbuk sari dan spora dari cahaya, panas, dingin, dan pengeringan. Tanpa itu, tanaman tidak akan bisa hidup di darat. Tetapi ketangguhan sporopollenin membuatnya sulit untuk dipelajari, bahkan beberapa dekade setelah struktur molekul selulosa, lignin, dan polimer dasar tumbuhan lainnya telah dibingungkan. “Alam mengembangkan sporopollenin untuk menahan serangan apa pun,” kata Li. “Termasuk oleh para ilmuwan.”
Baru-baru ini, bagaimanapun, pertahanan sporopollenin mungkin telah diatasi. Pada tahun 2018, Li dan peneliti lain di Whitehead, yang dipimpin oleh ahli biologi tanaman Jing-Ke Weng, menerbitkan struktur lengkap pertama sporopollenin. Pekerjaan selanjutnya oleh tim, beberapa di antaranya belum dipublikasikan, telah mengisi lebih banyak detail tentang bagaimana berbagai kelompok tanaman menyempurnakan struktur itu untuk memenuhi kebutuhan mereka dengan lebih baik. Struktur yang mereka usulkan dan pandangan yang lebih baik dari sporopollenin yang ditawarkannya bukannya tanpa kontroversi, tetapi telah memperjelas peran penting molekul dalam membantu tanaman menaklukkan tanah.
Enigma Inert
Semua tanaman penyemaian membuat serbuk sari; tumbuhan darat lainnya, seperti lumut, menghasilkan spora. Membawa setengah informasi genetik yang dibutuhkan tanaman untuk bereproduksi, serbuk sari dan spora bergerak melalui lingkungan dengan angin atau hewan yang membantu, untuk mencapai tanaman lain dari spesies mereka dan membuahi sel telurnya. Namun di sepanjang jalan, serbuk sari dan spora harus menghadapi bahaya yang berkisar dari dehidrasi hingga sinar ultraviolet matahari hingga serangga lapar. Sejak tanaman pertama kali ditemukan di darat sekitar 470 juta tahun yang lalu, menjaga informasi genetik dalam serbuk sari dan spora tetap aman selama perjalanan mereka menuju pembuahan menjadi sangat penting.
Strategi utama yang digunakan tanaman untuk melindungi DNA itu adalah dengan membungkusnya dalam cangkang khusus sporopollenin, yang tahan terhadap unsur-unsur dan di antara bahan terberat yang dihasilkan oleh makhluk hidup apa pun. Telah ditemukan utuh di bebatuan berusia setengah miliar tahun. SEBUAH kertas 2016 menemukan bahwa karena kekokohan sporopollenin, spora mempertahankan stabilitasnya di landasan berlian pada tekanan 10 gigapascal, atau 725 ton per inci persegi.
Para peneliti telah mengetahui dan bertanya-tanya tentang sporopollenin setidaknya sejak tahun 1814. Mereka mengamati bahwa bahkan setelah sisa butiran serbuk sari atau spora secara kimiawi dilarutkan, zat aneh selalu tetap ada. Untuk sebagian besar abad berikutnya, mereka yang mempelajarinya dalam spora dan serbuk sari bekerja secara terpisah, menyebutnya secara eksklusif sebagai sporonin atau pollenin. Itu dijuluki sporopollenin pada tahun 1931 untuk menenangkan kedua komunitas.
Selama beberapa dekade setelahnya, pengetahuan tentang molekul sebagian besar berakhir dengan nama. Para peneliti menyadari bahwa sporopollenin dapat menjadi kunci untuk memahami bagaimana tanaman menaklukkan hampir setiap habitat di Bumi, dan mereka bermimpi menggunakan bahan tersebut untuk segala hal mulai dari melapisi lambung kapal hingga melindungi protein rapuh dalam vaksin oral. Tetapi mendapatkan struktur dan komposisi kimia sporopollenin merupakan prasyarat untuk pekerjaan lebih lanjut, dan sporopollenin menggagalkan setiap usaha.
Ahli kimia biasanya menentukan struktur molekul kompleks dengan memecahnya menjadi bagian-bagian penyusunnya, menemukan strukturnya, lalu menyatukannya kembali. Tapi sporopollenin terlalu lembam untuk bahan kimia biasa untuk mencernanya. Mulai tahun 1960-an, metode biokimia baru dan spektrometri massa membuat beberapa kemajuan pada struktur dan komposisi kimia, dan ahli biologi kemudian bahkan menyimpulkan beberapa rincian dari pengetahuan tentang gen dan proses enzimatik yang mensintesis sporopollenin.
Namun, tidak satu pun dari metode ini yang dapat memberikan gambaran lengkap tentang molekul tersebut. Sporopollenin tampaknya memiliki dua tulang punggung paralel yang terbuat dari molekul yang disebut poliketida, tidak berbeda dengan tulang punggung gula dalam heliks ganda DNA. Tulang punggung ini tampaknya dihubungkan oleh jalinan hubungan dari berbagai jenis. Tapi sketsa ini tidak lengkap, dan beberapa temuan dari metode biokimia dan genetik bertentangan satu sama lain.
"Satu-satunya hal yang disepakati semua orang adalah rumus empiris untuk komposisi karbon, hidrogen, oksigen," kata Joseph Banoub, seorang profesor kimia dan biokimia di Memorial University of Newfoundland di Kanada.
Pitch Pine Sempurna
Li mulai mengerjakan sporopollenin segera setelah dia bergabung dengan lab Weng di Whitehead Institute sebagai postdoc pada tahun 2014. Di lingkungan Cambridge, Kendall Square, di mana penelitian biomedis adalah obsesi utama, lab adalah salah satu dari sedikit tempat di mana orang mempelajari tanaman, dengan fokus penelitian pada galaksi molekul botani yang tetap tidak dikarakterisasi.
Sporopollenin merupakan tantangan yang tak tertahankan bagi Li. Fungsinya sudah diketahui dengan baik, dan gen untuk membuatnya ada di setiap tanaman penghasil biji dan spora, yang menyiratkan bahwa sporopollenin adalah adaptasi dasar yang memungkinkan tanaman hidup di darat pada awal pelariannya dari lautan. (Beberapa spesies ganggang juga membuat zat seperti sporopollenin, yang menunjukkan bahwa tanaman darat mengadaptasi biosintesis molekul itu selama evolusi mereka.) Namun kimia di balik kemampuan itu tetap kabur.
Akan menjadi puitis jika karya awal Li tentang sporopollenin menggunakan serbuk sari yang dikumpulkan dari perairan Kolam Walden. Tapi kenyamanan mengalahkan romansa: Serbuk sari yang awalnya dipelajari timnya dipesan dari Amazon. (Serbuk sari dari pinus pitch, yang menghasilkan banyak barang, dijual secara luas sebagai suplemen kesehatan.) Sisanya berasal dari Cape Cod.
Selama berbulan-bulan, Li dan rekan-rekannya menjalankan uji coba-coba pada senyawa yang dapat mendegradasi biopolimer tangguh lainnya. Akhirnya, mereka mengembangkan proses multilangkah baru yang dapat mengambil sampel serbuk sari, memukulnya dalam mesin penggilingan bola, dan secara kimia memecah molekul sporopollenin yang terkandung. Setengah dari setiap molekul dipecah menjadi enam bagian berbeda yang kemudian dapat dicirikan oleh spektrometri massa.
Separuh molekul lainnya, yang mereka sebut gugus R (untuk "bandel"), hanya terurai ketika dicampur dengan zat pelarut lain. Mereka bisa mendapatkan pandangan parsial R dengan cara ini, tetapi prosesnya menurunkan fitur lain dari molekul, sehingga kelompok Li menggunakan teknologi yang lebih eksotis, spektroskopi resonansi magnetik nuklir solid-state, untuk mengkarakterisasinya.
Bunga Membuat Perbedaan
Buah dari pekerjaan itu, kertas diterbitkan dalam Tanaman alam pada Desember 2018, mengusulkan struktur molekul sporopollenin terlengkap hingga saat ini.
Dalam percakapan, Li menggunakan tangannya untuk menggambarkan bentuk rumit dari struktur tersebut. Dengan ibu jari dan telunjuknya, dia menunjukkan bagaimana molekul aromatik menggantung dari tulang punggung dalam bentuk-L bergantian. Dia mendemonstrasikan bagaimana tulang punggung diikat dengan ikatan silang dengan mengarahkan satu tangan yang rata ke tangan yang lain secara miring, seolah-olah melakukan beberapa bentuk doa yang aneh. Unit-unit dasar ini terhubung bersama untuk membentuk kulit eksin yang lengkap, yang mengambil bentuk yang sangat berbeda pada tumbuhan yang berbeda, meskipun subunit molekul dasar pada dasarnya serupa.
Strukturnya memberi kepercayaan pada gagasan bahwa ketangguhan sporopollenin muncul dari hubungan yang beragam dan terjalin di antara tulang punggung. Ikatan ester dan eter ini masing-masing tahan terhadap kondisi basa dan asam; bersama-sama mereka melawan keduanya. Struktur yang diusulkan kelompok Li juga mencakup beberapa molekul aromatik yang diketahui tahan terhadap sinar ultraviolet, yang memperhitungkan kemampuan sporopollenin untuk menjaga DNA dari unsur-unsur tersebut.
“Tanpa inovasi metabolisme ini, tanaman tidak akan bisa bermigrasi dari air ke darat,” tulis Weng dalam email kepada kuanta.
Baru-baru ini, Li dan rekan-rekannya menggunakan metode mereka untuk mengkarakterisasi sporopollenin dari lebih dari 100 spesies tanaman darat yang dikumpulkan dari kebun raya di sekitar timur laut Amerika Serikat. Menurut Li, yang sedang mempersiapkan untuk menyerahkan hasil penelitian untuk publikasi, struktur sporopollenin bervariasi di seluruh jenis tanaman dalam pola yang aneh.
Mereka menemukan bahwa gymnospermae, kelompok tanaman darat yang mencakup sikas dan tumbuhan runjung seperti pinus, dan apa yang disebut tanaman dataran rendah seperti lumut dan pakis cenderung memiliki sporopollenin yang panjang dan serupa. Ini masuk akal karena tanaman ini menyebarkan serbuk sari mereka mau tak mau pada angin; mereka membutuhkan sporopollenin rantai panjang untuk melindunginya.
Tetapi di antara angiospermae, atau tanaman berbunga, situasinya lebih kompleks. Bunganya menaungi serbuk sari mereka dari matahari dan kekeringan, dan serangga secara efisien memindahkan serbuk sari dari bunga ke bunga, meminimalkan paparan risiko lain. Akibatnya, angiospermae tidak membutuhkan sporopollenin mereka untuk menjadi kuat secara seragam.
Dan membuat sporopollenin rantai panjang adalah proses yang intensif energi, kata Li, jadi "ketika bunga berevolusi, mereka tidak ingin menghasilkan sporopollenin seperti pinus lagi." Menurut Li dan Weng, perbedaan signifikan tampaknya telah berevolusi antara sporopollenin yang diproduksi oleh dua kategori utama angiospermae, monokotil dan dikotil, yang berbeda dalam struktur embrio, pembuluh darah, batang, akar, dan bunganya.
Tentu saja, perbedaan itu tidak mutlak. Beberapa tanaman berbunga memang menghasilkan sporopollenin dengan struktur seperti pinus, kata Li. "Mungkin jika kita memiliki 6 juta tahun lagi, mereka mungkin kehilangan fungsinya," atau mungkin ada pemeriksaan dan keseimbangan ekologis lainnya yang berperan melestarikan struktur sporopollenin itu untuk kelompok tanaman tertentu.
“Evolusi bukanlah sebuah garis,” kata Li. “Seperti ikan paus. Pada satu titik mereka tinggal di darat; sekarang mereka tinggal di laut.” Namun paus masih memiliki beberapa karakteristik hewan darat. Mungkin beberapa serbuk sari bunga mempertahankan jejak sejarah mereka sendiri yang sudah usang.
Polimer Misterius
Peneliti tanaman lain setuju bahwa pekerjaan struktural Li dan Weng pada sporopollenin telah meningkatkan pengetahuan kita tentang molekul. Tetapi tidak semua dari mereka yakin bahwa usulan mereka benar atau menyimpulkan pencarian struktur sporopollenin selama satu abad.
"Itu jauh lebih jelas dari sebelumnya," kata Zhong Nan Yang, seorang ahli biologi yang mempelajari sporopollenin di Shanghai Normal University. "Tapi itu perlu diverifikasi." Dia mengatakan Li dan rekan-rekannya masih harus mengidentifikasi gen yang bertanggung jawab atas enzim yang dibutuhkan untuk membuat fitur tertentu dari sporopollenin pinus.
A 2020 studi ditujukan untuk "mengungkap dan mengungkap" struktur molekul sporopollenin menimbulkan tantangan yang lebih langsung. Menggunakan sekumpulan metode dan mengerjakan sporopollenin dari lumut klub daripada pinus, kelompok Banoub di Universitas Memorial tiba pada struktur yang berbeda dalam beberapa hal penting dari yang diusulkan oleh Li dan Weng. Yang terpenting, Banoub berkata, “Kami telah membuktikan tidak ada senyawa aromatik di dalam sporopollenin.” Perbedaan tersebut, menurutnya, mungkin dapat dijelaskan oleh perbedaan antara sporopollenin pada pinus dan lumut gada.
“Pandangan pribadi saya adalah mereka tidak benar,” kata Li, tetapi dia memilih untuk tidak berkomentar lebih jauh sampai beberapa hasil yang relevan dari labnya siap untuk dipublikasikan.
“Ini masih merupakan polimer misterius,” komentar Teagen Quilichini, ahli biologi tanaman di Dewan Riset Nasional Kanada yang telah mempelajari sporollenin, dalam sebuah email. 'Terlepas dari apa yang disarankan oleh beberapa laporan. ”
Tangguh tapi Masih Bisa Dimakan?
Terlepas dari kontroversi mengenai struktur mereka untuk sporopollenin, Li dan yang lainnya di lab Weng telah beralih ke pertanyaan evolusioner lain: Apakah alam telah menemukan cara untuk membongkar bahan yang hampir tidak dapat dihancurkan yang disatukan ini?
Saat ia berjalan di sekitar Walden Pond untuk mencari saluran masuk lain yang dilapisi serbuk sari, Li membandingkan sporopollenin dengan lignin, polimer tanaman yang memperkuat kayu dan kulit kayu. Setelah tanaman berkayu pertama kali berevolusi sekitar 360 juta tahun yang lalu, catatan geologis menunjukkan kelimpahan fosil lignin dalam strata selama puluhan juta tahun. Kemudian tiba-tiba sekitar 300 juta tahun yang lalu, lignin menghilang. Hilangnya lignin menandai momen ketika jamur yang disebut pelapuk putih mengembangkan enzim yang mampu mendegradasi lignin dan memakan banyak lignin sebelum menjadi fosil.
Sporopollenin, menurut Li, juga harus memiliki jamur atau mikroba lain yang mampu mengurainya. Kalau tidak, kita akan tenggelam dalam barang-barang itu. Perhitungan di balik amplop Li adalah bahwa 100 juta ton sporopollenin diproduksi di hutan setiap tahun. Itu bahkan tidak memperhitungkan sporopollenin yang dihasilkan oleh rumput. Jika tidak ada yang memakannya, kemana perginya semuanya?
Inilah sebabnya, sebagai sumber untuk sampel serbuk sari terbarunya, Li memilih untuk tidak menggunakan Amazon Prime demi satu hari di Walden Pond. Pengamatan oleh timnya menunjukkan bahwa beberapa mikroorganisme yang tumbuh di cawan petri dapat bertahan hidup jika tidak diberi makan apa pun kecuali sporopollenin dan nitrogen. Sampel dari Walden, yang secara alami penuh dengan komunitas mikroba danau, akan membantu Li menentukan apakah populasi jamur dan mikroba lain di alam liar dapat membuka nutrisi dalam molekul sporopollenin yang tampaknya tidak dapat dipecahkan.
Saat kami mengemil rumput laut dan batangan granola di tepi kolam, mudah untuk melihat keseluruhan situasi dari sudut pandang jamur. Alam tidak suka menyia-nyiakan makanan — bahkan makanan yang sangat sulit untuk dikunyah.
