Quando Fu Shuang Li, un biochimico e ricercatore presso il Whitehead Institute di Cambridge, Massachusetts, aveva bisogno di un po' di polline per la sua ricerca, sapeva esattamente dove andare. Ogni primavera, i pini pece che circondano il Walden Pond a Concord rilasciano nuvole di polline dorato che ricoprono l'acqua e si accumulano in vortici galattici contro la riva. Henry David Thoreau, che trascorse due anni a vivere vicino allo stagno negli anni '1840 dell'Ottocento, chiude il suo famoso resoconto dell'esperienza descrivendo così tanto polline che "avresti potuto raccogliere un barile".
Accovacciato sul bordo dello stagno in felpa nera e pantaloni della tuta, Li si immerse in una provetta, prelevando alcune centinaia di millilitri d'acqua, carica di polline e di qualsiasi altra cosa vi crescesse. Era tutt'altro che un barile di roba, ma era più che sufficiente per gli sforzi di Li per studiare la struttura molecolare del guscio esterno del polline. Chiamato sporopollineina, il materiale che compone il guscio è così resistente che a volte è stato chiamato il diamante del mondo vegetale.
Per più di un secolo, gli scienziati hanno cercato di comprendere le basi chimiche della forza senza precedenti della sporopollineina. La sporopollineina protegge il DNA del polline e delle spore dalla luce, dal calore, dal freddo e dall'essiccazione. Senza di essa, le piante non sarebbero in grado di vivere sulla terra. Ma la durezza della sporopollineina ha reso difficile lo studio, anche decenni dopo che le strutture molecolari della cellulosa, della lignina e di altri polimeri vegetali di base erano state risolte. "La natura ha evoluto la sporopollineina per resistere a qualsiasi attacco", ha detto Li. "Compreso dagli scienziati."
Recentemente, tuttavia, le difese della sporopollineina potrebbero essere state superate. Nel 2018, Li e altri ricercatori del Whitehead, guidati dal biologo vegetale Jing-Ke Weng, ha pubblicato la prima struttura completa della sporopollenina. Il lavoro successivo del team, in parte non ancora pubblicato, ha fornito maggiori dettagli su come vari gruppi di piante hanno messo a punto quella struttura per soddisfare meglio le proprie esigenze. La loro struttura proposta e la migliore visione della sporopollineina che offre non sono esenti da controversie, ma hanno chiarito il ruolo essenziale della molecola nell'aiutare le piante a conquistare la terra.
L'enigma inerte
Tutte le piante da semina producono polline; altre piante terrestri, come il muschio, producono spore. Portando metà delle informazioni genetiche di cui le piante hanno bisogno per riprodursi, pollini e spore si muovono nell'ambiente grazie al vento o su un animale utile, per raggiungere un'altra pianta della loro specie e fertilizzare il suo uovo. Ma lungo la strada, pollini e spore devono fare i conti con pericoli che vanno dalla disidratazione ai raggi ultravioletti del sole agli insetti affamati. Da quando le piante sono state acquistate per la prima volta sulla terra circa 470 milioni di anni fa, mantenere le informazioni genetiche all'interno del polline e delle spore al sicuro durante il loro viaggio verso la fertilizzazione è stato di vitale importanza.
La strategia principale che le piante impiegano per proteggere quel DNA è racchiuderlo in un guscio specializzato di sporopollineina, che è impermeabile agli elementi e tra i materiali più duri prodotti da qualsiasi essere vivente. È stato trovato intatto in rocce vecchie di mezzo miliardo di anni. UN carta 2016 hanno scoperto che a causa della robustezza della sporopollineina, le spore mantenevano la loro stabilità nelle incudini di diamante a pressioni di 10 gigapascal, o 725 tonnellate per pollice quadrato.
I ricercatori conoscono e si interrogano sulla sporopollineina almeno dal 1814. Hanno osservato che anche dopo che il resto di un granello di polline o di una spora è stato dissolto chimicamente, è sempre rimasta una strana sostanza. Per la maggior parte del secolo successivo, coloro che lo studiarono nelle spore e nel polline lavorarono separatamente, riferendosi ad esso esclusivamente come sporonina o polline. Fu soprannominato sporopollineina nel 1931 per placare entrambe le comunità.
Per decenni da allora in poi, la conoscenza della molecola finì in gran parte con il nome. I ricercatori hanno riconosciuto che la sporopollineina potrebbe essere la chiave per capire come le piante hanno conquistato quasi tutti gli habitat sulla Terra e hanno sognato di utilizzare il materiale per qualsiasi cosa, dal rivestimento degli scafi delle navi alla protezione delle fragili proteine nei vaccini orali. Ma ottenere la struttura e la composizione chimica della sporopollineina era un prerequisito per qualsiasi ulteriore lavoro e la sporopollineina vanificava ogni sforzo.
I chimici di solito determinano la struttura di una molecola complessa scomponendola nelle sue parti costituenti, trovando la struttura di quelle, quindi rimettendole insieme. Ma la sporopollineina era troppo inerte per essere digerita dai soliti agenti chimici. A partire dagli anni '1960, i nuovi metodi biochimici e la spettrometria di massa hanno fatto alcuni progressi sulla struttura e sulla composizione chimica, e in seguito i biologi hanno persino dedotto alcuni dettagli dalla conoscenza dei geni e dei processi enzimatici che sintetizzano la sporopollineina.
Nessuno di questi metodi, tuttavia, potrebbe fornire un quadro completo della molecola. La sporopollineina sembrava avere due dorsali parallele fatte di molecole chiamate polichetidi, non diversamente dalle spine dorsali di zucchero nella doppia elica del DNA. Queste dorsali sembravano essere collegate da un intreccio di collegamenti di diverso tipo. Ma questo schizzo era incompleto e alcuni dei risultati dei metodi biochimici e genetici erano in conflitto l'uno con l'altro.
"L'unica cosa su cui tutti erano d'accordo era la formula empirica per la composizione di carbonio, idrogeno, ossigeno", ha detto Giuseppe Banoub, professore di chimica e biochimica presso la Memorial University di Terranova in Canada.
Pino Pino Perfetto
Li ha iniziato a lavorare sulla sporopollineina subito dopo essere entrato a far parte del laboratorio di Weng presso il Whitehead Institute come post-dottorato nel 2014. Nel quartiere di Kendall Square a Cambridge, dove la ricerca biomedica è l'ossessione principale, il laboratorio è uno dei pochi posti dove le persone studiano le piante, con un focus di ricerca sulla galassia delle molecole botaniche che rimangono non caratterizzate.
La sporopollineina è stata una sfida irresistibile per Li. La sua funzione era ben nota e i geni per produrla erano in ogni pianta che produce semi e spore, il che implicava che la sporopollineina fosse un adattamento di base che consentiva alle piante di vivere sulla terraferma proprio all'inizio della loro fuga dagli oceani. (Alcune specie di alghe producono anche una sostanza simile alla sporopollineina, il che suggerisce che le piante terrestri abbiano adattato la biosintesi di quella molecola durante la loro evoluzione.) Eppure la chimica dietro questa capacità è rimasta sfocata.
Sarebbe stato poetico se i primi lavori di Li sulla sporopollineina avessero utilizzato il polline raccolto dalle acque di Walden Pond. Ma la convenienza ha prevalso sul romanticismo: il polline inizialmente studiato dal suo team è stato ordinato da Amazon. (Il polline del pino pece, che produce abbondantemente la sostanza, è ampiamente venduto come integratore per la salute.) Il resto proveniva da Cape Cod.
Per mesi, Li e i suoi collaboratori hanno eseguito test per tentativi ed errori su composti che possono degradare altri biopolimeri resistenti. Alla fine, hanno sviluppato un nuovo processo multifase che potrebbe prelevare campioni di polline, prenderli a pugni in una fresatrice a sfere e fratturare chimicamente le molecole di sporopollineina contenute. La metà di ogni molecola si è scomposta in sei pezzi distinti che potrebbero quindi essere caratterizzati dalla spettrometria di massa.
L'altra metà della molecola, che hanno chiamato il gruppo R (per "recalcitrante"), si è rotta solo quando è stata miscelata con un altro agente dissolvente. Potrebbero ottenere una visione parziale di R in questo modo, ma il processo ha degradato altre caratteristiche della molecola, quindi il gruppo di Li ha fatto ricorso a una tecnologia più esotica, la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare a stato solido, per caratterizzarla.
I fiori hanno fatto la differenza
Il frutto di quel lavoro, un documento pubblicato nella Natura Piante nel dicembre 2018, ha proposto la struttura molecolare più completa della sporopollineina fino ad oggi.
Nella conversazione, Li ha usato le sue mani per descrivere la forma intricata della struttura. Con il pollice e l'indice, ha mostrato come le molecole aromatiche pendono dalla spina dorsale in forme a L alternate. Ha dimostrato come la spina dorsale sia legata ai collegamenti incrociati puntando una mano appiattita nell'altra ad angolo, come se si impegnasse in una strana forma di preghiera. Queste unità di base si collegano insieme per formare il guscio completo dell'exina, che assume forme radicalmente diverse in piante diverse, sebbene le subunità molecolari di base siano fondamentalmente simili.
La struttura ha dato credito all'idea che la robustezza della sporopollineina derivi dai vari collegamenti intrecciati tra le spine dorsali. Questi legami estere ed etere sono resistenti, rispettivamente, alle condizioni basiche e acide; insieme resistono entrambi. La struttura proposta dal gruppo di Li includeva anche diverse molecole aromatiche note per essere resistenti alla luce ultravioletta, il che spiegava la capacità della sporopollineina di proteggere il DNA dagli elementi.
"Senza queste innovazioni metaboliche, le piante non sarebbero state in grado di migrare dall'acqua alla terra in primo luogo", ha scritto Weng in una e-mail a quanti.
Di recente, Li e i suoi colleghi hanno utilizzato il loro metodo per caratterizzare la sporopollineina da più di 100 diverse specie di piante terrestri raccolte da giardini botanici negli Stati Uniti nordorientali. Secondo Li, che si prepara a presentare i risultati dello studio per la pubblicazione, la struttura della sporopollineina varia tra i tipi di piante secondo uno schema curioso.
Hanno scoperto che le gimnosperme, il gruppo di piante terrestri che include cicadee e conifere come il pino pece, e le cosiddette piante di terra inferiore come muschi e felci tendono ad avere sporopollinene lunghe e simili. Questo ha senso perché queste piante diffondono il loro polline volenti o nolenti al vento; hanno bisogno di sporopollineina a catena lunga per proteggerla.
Ma tra le angiosperme, o piante da fiore, la situazione è più complessa. I loro fiori riparano il polline dal sole e dall'essiccazione e gli insetti spostano efficacemente il polline da un fiore all'altro, riducendo al minimo l'esposizione ad altri rischi. Di conseguenza, le angiosperme non hanno bisogno della loro sporopollineina per essere così uniformemente robuste.
E produrre sporopollinena a catena lunga è un processo ad alta intensità energetica, ha detto Li, quindi "quando i fiori si sono evoluti, non volevano più produrre sporopollineina simile al pino". Secondo Li e Weng, sembrano essersi evolute differenze significative tra le sporopolline prodotte dalle due principali categorie di angiosperme, monocotiledoni e dicotiledoni, che divergono nelle strutture dei loro embrioni, vascolarizzazione, steli, radici e fiori.
Naturalmente, le distinzioni non sono assolute. Alcune piante da fiore producono sporopollinena con una struttura simile a un pino, ha detto Li. "Forse se avessimo altri 6 milioni di anni, potrebbero perdere la funzione di quelli", o forse ci sono altri controlli ed equilibri ecologici in gioco che preservano la struttura della sporopollineina per determinati gruppi di piante.
"L'evoluzione non è una linea", ha detto Li. “Come le balene. A un certo punto vivevano sulla terraferma; ora vivono nell'oceano". Eppure le balene hanno ancora alcune caratteristiche degli animali terrestri. Forse alcuni pollini di fiori conservano tracce obsolete della propria storia.
Il misterioso polimero
Altri ricercatori vegetali concordano sul fatto che il lavoro strutturale di Li e Weng sulla sporopollineina ha migliorato la nostra conoscenza della molecola. Ma non tutti sono convinti che la loro proposta sia corretta o che concluda la secolare ricerca della struttura della sporopollineina.
"Era molto più chiaro di prima", ha detto Zhong Nan Yang, un biologo che studia la sporopollineina alla Shanghai Normal University. "Ma deve essere verificato". Ha detto che Li e i suoi colleghi devono ancora identificare i geni responsabili degli enzimi necessari per produrre alcune caratteristiche della sporopollineina di pino.
A uno studio del 2020 mirato a "demistificare e svelare" la struttura molecolare della sporopollineina ha rappresentato una sfida più diretta. Utilizzando uno stuolo di metodi e lavorando sulla sporopollineina del muschio del club piuttosto che del pino, il gruppo di Banoub alla Memorial University è arrivato a una struttura che differiva per molti aspetti importanti da quella proposta da Li e Weng. Ancora più importante, Banoub ha detto: "Abbiamo dimostrato che non ci sono composti aromatici all'interno della sporopollineina". La disparità, pensa, potrebbe essere spiegata dalle differenze tra la sporopollineina nel pino e il muschio.
"La mia opinione personale è che non sono corretti", ha detto Li, ma preferisce non commentare ulteriormente fino a quando alcuni risultati rilevanti del suo laboratorio non saranno pronti per la pubblicazione.
"È ancora un polimero piuttosto misterioso", ha commentato Teagen Quilichini, biologo vegetale presso il National Research Council canadese che ha studiato la sporopollineina, in un'e-mail. "Nonostante ciò che alcuni rapporti suggeriscono".
Duro ma ancora commestibile?
Nonostante le controversie sulla loro struttura per la sporopollineina, Li e altri nel laboratorio Weng sono passati a un'altra domanda evolutiva: la natura ha capito come smontare questo materiale quasi indistruttibile che ha messo insieme?
Mentre camminava intorno a Walden Pond alla ricerca di altre insenature ricoperte di polline, Li ha paragonato la sporopollineina alla lignina, il polimero vegetale che rinforza il legno e la corteccia. Dopo che le piante legnose si sono evolute per la prima volta circa 360 milioni di anni fa, la documentazione geologica mostra un'abbondanza di lignina fossilizzata negli strati per decine di milioni di anni. Poi improvvisamente circa 300 milioni di anni fa, la lignina svanisce. La sua scomparsa segna il momento in cui un fungo chiamato marciume bianco ha evoluto enzimi in grado di degradare la lignina e ne ha mangiato gran parte prima che potesse fossilizzarsi.
La sporopollineina, ragionava Li, deve anche avere un fungo o un altro microbo in grado di scomporla. Altrimenti affogheremmo nella roba. Secondo i calcoli di Li, ogni anno nelle foreste vengono prodotte 100 milioni di tonnellate di sporopollineina. Ciò non tiene nemmeno conto della sporopollineina prodotta dalle erbe. Se niente lo sta mangiando, dove va tutto a finire?
Questo è il motivo per cui, come fonte per il suo ultimo campione di polline, Li ha deciso di rinunciare ad Amazon Prime a favore di una giornata a Walden Pond. Le osservazioni del suo team suggeriscono che alcuni microrganismi cresciuti nelle piastre di Petri possono sopravvivere se alimentati con nient'altro che sporopollineina e azoto. I campioni di Walden, che sono naturalmente pieni di comunità microbiche lacustri, dovrebbero aiutare Li a determinare se le popolazioni di funghi e altri microbi in natura possono sbloccare i nutrienti nelle molecole apparentemente indistruttibili della sporopollineina.
Mentre mangiavamo barrette di alghe e muesli sul bordo dello stagno, è stato facile vedere l'intera situazione dal punto di vista dei funghi. La natura odia sprecare un pasto, anche uno così difficile da masticare.
