인셀덤 공식 판매점인 푸솽 리매사추세츠주 캠브리지에 있는 화이트헤드 연구소의 생화학자이자 연구 과학자인 그는 연구를 위해 꽃가루가 필요했지만 어디로 가야 하는지 알고 있었습니다. 매년 봄, 콩코드(Concord)의 월든 연못(Walden Pond)을 둘러싸고 있는 피치 소나무는 황금빛 꽃가루 구름을 방출하여 물을 덮고 해안을 향해 은하계 소용돌이 모양으로 모입니다. 1840년대에 연못 옆에서 XNUMX년을 살았던 Henry David Thoreau는 너무 많은 꽃가루를 "통 한 통을 모을 수 있었을 것"이라고 설명하면서 그 경험에 대한 그의 유명한 설명을 마무리합니다.
검은 후드티와 스웨트팬츠를 입고 연못 가장자리에 웅크리고 있던 리는 시험관에 몸을 담그고 꽃가루와 그 안에 자라는 다른 것들이 잔뜩 들어 있는 수백 밀리리터의 물을 꺼냈습니다. 그것은 한 통의 물질과는 거리가 멀었지만, 꽃가루의 외부 껍질의 분자 구조를 연구하려는 Li의 노력에는 충분했습니다. 스포로폴레닌(sporopollenin)이라고 불리는 껍질을 구성하는 물질은 너무 단단하여 때때로 식물계의 다이아몬드라고 불립니다.
한 세기 이상 동안 과학자들은 스포로폴레닌의 비할 데 없는 힘의 화학적 기초를 이해하려고 노력해 왔습니다. 스포로폴레닌은 꽃가루와 포자의 DNA를 빛, 열, 추위 및 건조로부터 보호합니다. 그것이 없으면 식물은 땅에서 살 수 없습니다. 그러나 스포로폴레닌의 인성은 셀룰로오스, 리그닌 및 기타 기본 식물 중합체의 분자 구조가 의아해된 지 수십 년이 지난 후에도 연구를 어렵게 만들었습니다. "자연은 어떤 공격에도 저항하도록 스포로폴레닌을 진화시켰습니다."라고 Li가 말했습니다. "과학자 포함."
그러나 최근에 스포로폴레닌의 방어가 극복되었을 수 있습니다. 2018년에 식물생물학자가 이끄는 화이트헤드의 리와 다른 연구원들은 웽징커, 스포로폴레닌의 첫 번째 완전한 구조를 발표했습니다. 팀의 후속 작업(일부는 아직 공개되지 않음)에서는 다양한 식물 그룹이 필요에 더 잘 맞도록 해당 구조를 미세 조정하는 방법에 대한 자세한 내용을 채웠습니다. 그들이 제안한 구조와 그것이 제공하는 스포로폴레닌에 대한 개선된 견해는 논쟁의 여지가 없지만 식물이 땅을 정복하는 데 도움이 되는 분자의 본질적인 역할을 명확히 했습니다.
불활성 수수께끼
모든 파종 식물은 꽃가루를 만듭니다. 이끼와 같은 다른 육상 식물은 포자를 생성합니다. 식물이 번식하는 데 필요한 유전 정보의 절반을 가지고, 꽃가루와 포자는 바람이나 도움이 되는 동물을 타고 환경을 통해 이동하여 같은 종의 다른 식물에 도달하고 난자 세포를 비옥하게 합니다. 그러나 그 과정에서 꽃가루와 포자는 탈수에서 태양의 자외선, 배고픈 곤충에 이르기까지 다양한 위험과 싸워야 합니다. 약 470억 XNUMX만 년 전 식물이 땅에서 구매를 처음 발견한 이래로 수정 과정에서 꽃가루와 포자의 유전 정보를 안전하게 유지하는 것이 매우 중요했습니다.
식물이 DNA를 보호하기 위해 사용하는 주요 전략은 스포로폴레닌이라는 특수한 껍질로 DNA를 감싸는 것입니다. XNUMX억 년 된 암석에서 온전한 상태로 발견되었습니다. ㅏ 2016 용지 스포로폴레닌의 견고함 때문에 포자가 10기가파스칼 또는 제곱인치당 725톤의 압력에서 다이아몬드 모루에서 안정성을 유지한다는 것을 발견했습니다.
연구자들은 적어도 1814년부터 스포로폴레닌에 대해 알고 궁금해했습니다. 그들은 꽃가루 알갱이나 포자의 나머지 부분이 화학적으로 용해된 후에도 이상한 물질이 항상 남아 있다는 것을 관찰했습니다. 다음 세기의 대부분 동안, 포자와 꽃가루에서 그것을 연구하는 사람들은 스포로닌 또는 꽃가루로 독점적으로 언급하면서 별도로 연구했습니다. 1931년에는 두 지역 사회를 달래기 위해 스포로폴레닌이라는 이름을 붙였습니다.
그 후 수십 년 동안 분자에 대한 지식은 대부분 그 이름으로 끝났습니다. 연구원들은 스포로폴레닌이 식물이 지구상의 거의 모든 서식지를 정복한 방법을 이해하는 열쇠가 될 수 있음을 인식하고 선박의 선체 코팅에서 경구 백신의 깨지기 쉬운 단백질 보호에 이르기까지 모든 것에 이 물질을 사용하는 꿈을 꾸었습니다. 그러나 스포로폴레닌의 구조와 화학적 조성을 파악하는 것은 추가 작업의 전제 조건이었고 스포로폴레닌은 모든 노력을 좌절시켰습니다.
화학자들은 일반적으로 복잡한 분자를 구성 부분으로 분해하고 그 구조를 찾은 다음 다시 결합하여 복잡한 분자의 구조를 결정합니다. 그러나 스포로폴레닌은 일반 화학 물질이 소화하기에 너무 불활성이었습니다. 1960년대부터 새로운 생화학적 방법과 질량 분석법이 구조와 화학적 조성에 약간의 진전을 이루었고, 나중에 생물학자들은 스포로폴레닌을 합성하는 유전자와 효소적 과정에 대한 지식에서 일부 세부 사항을 추론하기까지 했습니다.
그러나 이러한 방법 중 어느 것도 분자의 전체 그림을 제공할 수 없습니다. 스포로폴레닌은 DNA의 이중 나선에 있는 당 골격과 달리 폴리케타이드(polyketides)라고 불리는 분자로 구성된 두 개의 평행한 골격을 가지고 있는 것으로 보입니다. 이 백본은 서로 다른 유형의 연결 고리로 연결되어 있는 것처럼 보였습니다. 그러나 이 스케치는 불완전했고 생화학적 방법과 유전적 방법의 일부 결과가 서로 충돌했습니다.
"모두가 동의한 유일한 것은 탄소, 수소, 산소의 구성에 대한 실험식이었습니다."라고 말했습니다. 조셉 바누브, 캐나다 뉴펀들랜드 메모리얼 대학교 화학 및 생화학 교수.
피치 파인 퍼펙트
Li는 2014년 Whitehead Institute에서 박사후 연구원으로 Weng의 연구실에 합류한 직후 스포로폴레닌에 대한 연구를 시작했습니다. 생물 의학 연구가 주요 집착인 Kendall Square의 Cambridge 지역에서 실험실은 사람들이 식물을 연구하는 몇 안되는 장소 중 하나입니다. 특성화되지 않은 채로 남아 있는 식물 분자의 은하계에 초점을 맞춘 연구.
스포로폴레닌은 Li에게 저항할 수 없는 도전이었습니다. 그것의 기능은 잘 알려져 있었고 그것을 만드는 유전자는 모든 종자와 포자를 생산하는 식물에 있었습니다. 이는 스포로폴레닌이 바다에서 탈출할 때 식물이 육지에서 살 수 있도록 하는 기본적인 적응임을 암시했습니다. (일부 조류 종은 스포로폴레닌과 유사한 물질을 만들기도 하는데, 이는 육상 식물이 진화하는 동안 해당 분자의 생합성에 적응했음을 시사합니다.) 그러나 그 능력 이면의 화학적 성질은 여전히 모호합니다.
스포로폴레닌에 대한 Li의 초기 작업이 Walden Pond의 물에서 수집된 꽃가루를 사용했다면 그것은 시적이었을 것입니다. 그러나 편의가 로맨스를 능가했습니다. 그의 팀이 처음에 연구한 꽃가루는 Amazon에서 주문한 것입니다. (많은 양의 재료를 생산하는 피치 파인의 꽃가루는 건강 보조 식품으로 널리 판매됩니다.) 나머지는 Cape Cod에서 왔습니다.
몇 달 동안 Li와 그의 동료들은 다른 단단한 생체 고분자를 분해할 수 있는 화합물에 대해 시행착오 테스트를 진행했습니다. 결국 그들은 꽃가루 샘플을 채취하여 볼 밀링 머신에서 두드려서 포함된 스포로폴레닌 분자를 화학적으로 파괴할 수 있는 새로운 다단계 공정을 개발했습니다. 각 분자의 절반은 질량 분석법으로 특성화될 수 있는 XNUMX개의 별개의 조각으로 나뉩니다.
R 그룹("내성제")이라고 부르는 분자의 나머지 절반은 다른 용해제와 혼합될 때만 분해됩니다. 그들은 이런 방식으로 R에 대한 부분적인 관점을 얻을 수 있었지만 그 과정은 분자의 다른 특징들을 저하시켰고, 그래서 Li의 그룹은 그것을 특성화하기 위해 좀 더 이국적인 기술인 고체 상태 핵 자기 공명 분광법에 의존했습니다.
꽃은 변화를 만들었습니다
그 일의 결실, 종이 에 게시 자연 식물 2018년 XNUMX월, 현재까지 가장 완전한 스포로폴레닌 분자 구조를 제안했습니다.
대화에서 Li는 구조의 복잡한 모양을 설명하기 위해 손을 사용했습니다. 그의 엄지와 집게손가락으로 그는 방향족 분자가 L자 모양을 번갈아가며 백본에 매달려 있는 방법을 보여주었습니다. 그는 마치 이상한 형태의 기도에 참여하는 것처럼 납작한 한 손을 다른 손으로 비스듬히 가리키면서 척추가 교차 연결과 어떻게 연결되어 있는지 보여주었습니다. 이러한 기본 단위는 서로 연결되어 완전한 엑신 껍질을 형성하며, 기본 분자 하위 단위는 근본적으로 유사하지만 다른 식물에서 근본적으로 다른 모양을 취합니다.
이 구조는 스포로폴레닌의 견고함이 척추 사이의 다양하고 꼰 연결에서 발생한다는 아이디어에 신빙성을 부여했습니다. 이러한 에스테르 및 에테르 결합은 각각 염기성 및 산성 조건에 대해 내성이 있습니다. 함께 그들은 둘 다에 저항합니다. Li의 그룹이 제안한 구조에는 자외선에 저항하는 것으로 알려진 여러 방향족 분자가 포함되어 있는데, 이는 원소로부터 DNA를 보호하는 스포로폴레닌의 능력을 설명합니다.
"이러한 신진대사 혁신이 없었다면 식물은 애초에 물에서 육지로 이동할 수 없었을 것입니다."라고 Weng은 이메일에서 썼습니다. 퀀타.
최근에 Li와 그의 동료들은 미국 북동부의 식물원에서 수집한 100가지 이상의 다양한 육상 식물 종에서 스포로폴레닌을 특성화하는 방법을 사용했습니다. 출판을 위해 연구 결과를 제출할 준비를 하고 있는 Li에 따르면, 스포로폴레닌의 구조는 식물 유형에 따라 이상한 패턴으로 다양합니다.
그들은 소철류와 피치 소나무와 같은 침엽수를 포함하는 육상 식물 그룹인 겉씨식물과 이끼와 양치류와 같은 소위 저지 육상 식물이 길고 유사한 스포로폴레닌을 갖는 경향이 있음을 발견했습니다. 이 식물이 바람에 마음대로 꽃가루를 퍼뜨리기 때문에 이것은 의미가 있습니다. 그들은 그것을 보호하기 위해 긴 사슬 스포로폴레닌이 필요합니다.
그러나 속씨식물, 즉 꽃을 피우는 식물의 경우 상황이 더 복잡합니다. 그들의 꽃은 햇빛과 건조로부터 꽃가루를 가리고 곤충은 꽃에서 꽃으로 꽃가루를 효율적으로 이동시켜 다른 위험에 대한 노출을 최소화합니다. 결과적으로, 속씨식물은 스포로폴레닌이 균일하게 견고할 필요가 없습니다.
그리고 긴 사슬 스포로폴레닌을 만드는 것은 에너지 집약적인 과정이므로 "꽃이 진화했을 때 그들은 더 이상 소나무와 같은 스포로폴레닌을 생산하기를 원하지 않았습니다."라고 Li는 말했습니다. Li와 Weng에 따르면 배, 혈관, 줄기, 뿌리 및 꽃의 구조가 다른 두 가지 주요 범주인 속씨 식물, 단자엽 식물 및 쌍자엽 식물에서 생성되는 스포로폴레닌 간에 상당한 차이가 발생한 것으로 보입니다.
물론 그 구분이 절대적인 것은 아니다. 일부 꽃 피는 식물은 소나무와 같은 구조를 가진 스포로폴레닌을 생산한다고 Li는 말했습니다. "아마도 우리에게 6백만 년이 더 있었다면 그 기능을 잃을 수도 있습니다." 또는 특정 식물 그룹의 스포로폴레닌 구조를 보존하는 다른 생태학적 견제와 균형이 작용할 수도 있습니다.
“진화는 선이 아닙니다.”라고 Li가 말했습니다. “고래처럼. 한때 그들은 육지에 살았습니다. 이제 그들은 바다에 살고 있습니다.” 그러나 고래는 여전히 육지 동물의 특성을 가지고 있습니다. 아마도 일부 꽃가루는 오래된 역사의 흔적을 간직하고 있을 것입니다.
신비한 폴리머
다른 식물 연구자들은 스포로폴레닌에 대한 Li와 Weng의 구조 연구가 분자에 대한 지식을 향상시켰다는 데 동의합니다. 그러나 그들 모두가 그들의 제안이 옳았다거나 그것이 스포로폴레닌의 구조에 대한 세기에 걸친 연구를 끝냈다는 것을 확신하지 못합니다.
“이전보다 훨씬 더 명확해졌습니다.”라고 말했습니다. 양중난, 상하이 사범 대학에서 스포로폴레닌을 연구하는 생물학자. "하지만 확인이 필요합니다." 그는 Li와 그의 동료들은 여전히 소나무 스포로폴레닌의 특정 기능을 만드는 데 필요한 효소를 담당하는 유전자를 확인해야 한다고 말했습니다.
A 2020 연구 스포로폴레닌의 분자 구조를 "신비화하고 풀기"를 목표로 하는 것은 보다 직접적인 도전을 제기했습니다. 많은 방법을 사용하고 소나무가 아닌 클럽 이끼에서 스포로폴레닌에 대한 작업을 수행한 Memorial University의 Banoub 그룹은 Li와 Weng이 제안한 것과 몇 가지 중요한 면에서 다른 구조에 도달했습니다. 가장 중요한 것은, "우리는 스포로폴레닌 내에 방향족 화합물이 없음을 증명했습니다."라고 Banoub는 말했습니다. 그는 이러한 차이가 소나무와 곤봉에 있는 스포로폴레닌 사이의 차이로 설명될 수 있다고 생각합니다.
"내 개인적인 견해는 그것들이 옳지 않다는 것입니다."라고 Li는 말했습니다.
캐나다 국립 연구 위원회(National Research Council)의 식물 생물학자인 Teagen Quilicini는 "이것은 여전히 매우 신비한 고분자입니다. 스포로폴레닌 연구, 이메일. '일부 보고서가 시사하는 내용에도 불구하고.”
단단하지만 여전히 먹을 수 있습니까?
스포로폴레닌의 구조에 대한 논란에도 불구하고 Li와 Weng 연구실의 다른 사람들은 또 다른 진화적 질문으로 넘어갔습니다. 자연이 함께 결합한 이 거의 파괴되지 않는 물질을 분해하는 방법을 알아냈습니까?
다른 꽃가루로 덮인 입구를 찾기 위해 Walden Pond 주변을 하이킹하면서 Li는 스포로폴레닌을 나무와 나무 껍질을 강화시키는 식물 고분자인 리그닌에 비유했습니다. 약 360억 300천만 년 전에 목본 식물이 처음으로 진화한 후 지질학적 기록은 수천만 년 동안 지층에 풍부한 화석화된 리그닌을 보여줍니다. 그러다가 약 XNUMX억년 전 갑자기 리그닌이 사라진다. 그것의 소멸은 흰썩음병이라는 곰팡이가 리그닌을 분해할 수 있는 효소를 진화시켜 화석화되기 전에 많은 양을 먹었던 순간을 표시합니다.
Li는 스포로폴레닌이 또한 그것을 분해할 수 있는 곰팡이 또는 다른 미생물이 있어야 한다고 추론했습니다. 그렇지 않으면 우리는 물건에 익사할 것입니다. Li의 뒤에서 계산한 바에 따르면 매년 100억 톤의 스포로폴레닌이 숲에서 생산됩니다. 그것은 풀이 생산하는 스포로폴레닌을 고려하지도 않습니다. 아무것도 먹지 않으면 다 어디로 가나요?
이것이 바로 Li가 최신 꽃가루 샘플의 출처로서 Walden Pond에서의 하루를 위해 Amazon Prime을 포기한 이유입니다. 그의 팀이 관찰한 바에 따르면 페트리 접시에서 자란 일부 미생물은 스포로폴레닌과 질소만 공급하면 생존할 수 있습니다. 자연적으로 호수 미생물 군집으로 가득한 Walden의 샘플은 Li가 야생의 균류 및 기타 미생물 군집이 스포로폴레닌의 겉보기에는 깨지지 않는 분자의 영양소를 해제할 수 있는지 여부를 결정하는 데 도움이 될 것입니다.
연못가에서 미역과 그래놀라바를 먹으며 균류의 입장에서 전체 상황을 보기 쉬웠다. 자연은 식사를 낭비하는 것을 싫어합니다. 심지어 씹기 힘든 식사라도 말이죠.
