. Fu Shuang Li, een biochemicus en onderzoeker aan het Whitehead Institute in Cambridge, Massachusetts, stuifmeel nodig had voor zijn onderzoek, hij wist precies waar hij heen moest. Elke lente laten de dennenbomen die Walden Pond in Concord omringen, wolken van gouden stuifmeel vrij die het water bedekken en zich in galactische wervelingen verzamelen tegen de kust. Henry David Thoreau, die in de jaren 1840 twee jaar naast de vijver woonde, sluit zijn beroemde verslag van de ervaring af door zoveel stuifmeel te beschrijven dat "je een vatvol had kunnen verzamelen."
Gehurkt aan de rand van de vijver in een zwarte hoodie en joggingbroek, doopte Li in een reageerbuis en haalde een paar honderd milliliter water tevoorschijn, beladen met stuifmeel en wat er nog meer in groeide. Het was verre van een ton vol spul, maar het was meer dan genoeg voor Li's pogingen om de moleculaire structuur van de buitenste schil van stuifmeel te bestuderen. Het wordt sporopollenine genoemd en het materiaal waaruit de schaal bestaat, is zo sterk dat het soms de diamant van de plantenwereld wordt genoemd.
Al meer dan een eeuw proberen wetenschappers de chemische basis voor de ongeëvenaarde kracht van sporopollenine te begrijpen. Sporopollenine beschermt het DNA in stuifmeel en sporen tegen licht, hitte, kou en uitdroging. Zonder dit zouden planten niet op het land kunnen leven. Maar de taaiheid van sporopollenine maakte het moeilijk om te bestuderen, zelfs decennia nadat de moleculaire structuren van cellulose, lignine en andere basale plantaardige polymeren waren uitgepuzzeld. "De natuur heeft sporopollenine ontwikkeld om elke aanval te weerstaan", zei Li. “Ook door wetenschappers.”
Onlangs is de afweer van sporopollenine echter mogelijk overwonnen. In 2018, Li en andere onderzoekers van de Whitehead, onder leiding van de plantenbioloog Jing Ke Weng, publiceerde de eerste volledige structuur van sporopollenine. Daaropvolgend werk van het team, waarvan een deel nog niet is gepubliceerd, heeft meer details opgeleverd over hoe verschillende groepen planten die structuur hebben verfijnd om beter aan hun behoeften te voldoen. Hun voorgestelde structuur en het verbeterde zicht op sporopollenine dat het biedt, is niet zonder controverse, maar het heeft de essentiële rol van het molecuul verduidelijkt bij het helpen van planten om het land te veroveren.
Het inerte raadsel
Alle zaaiende planten maken stuifmeel; andere landplanten, zoals mos, produceren sporen. Met de helft van de genetische informatie die de planten nodig hebben om zich voort te planten, bewegen stuifmeel en sporen zich door de omgeving op de wind of op een behulpzaam dier, om een andere plant van hun soort te bereiken en zijn eicel te bevruchten. Maar onderweg krijgen stuifmeel en sporen te maken met gevaren die variëren van uitdroging tot de ultraviolette stralen van de zon tot hongerige insecten. Sinds planten ongeveer 470 miljoen jaar geleden voor het eerst op het land werden gekocht, is het van cruciaal belang om de genetische informatie in stuifmeel en sporen veilig te houden tijdens hun reis naar bevruchting.
De belangrijkste strategie die planten gebruiken om dat DNA te beschermen, is om het te omhullen in een speciaal omhulsel van sporopollenine, dat ongevoelig is voor de elementen en een van de zwaarste materialen is die door een levend wezen worden geproduceerd. Het is intact gevonden in gesteenten van een half miljard jaar oud. EEN 2016 papier ontdekte dat vanwege de robuustheid van sporopollenine, sporen hun stabiliteit in diamanten aambeelden behielden bij een druk van 10 gigapascal, of 725 ton per vierkante inch.
Onderzoekers weten al sinds 1814 wat sporopollenine is en vroegen zich af hoe het zit. Ze merkten op dat zelfs nadat de rest van een stuifmeelkorrel of -spore chemisch was opgelost, er altijd een vreemde substantie achterbleef. Het grootste deel van de volgende eeuw werkten degenen die het in sporen en stuifmeel bestudeerden afzonderlijk en noemden het uitsluitend sporonine of pollenine. Het werd in 1931 sporopollenine genoemd om beide gemeenschappen te sussen.
Tientallen jaren daarna eindigde de kennis over het molecuul grotendeels met de naam. Onderzoekers erkenden dat sporopollenine de sleutel zou kunnen zijn om te begrijpen hoe planten bijna elke habitat op aarde veroverden, en ze droomden ervan het materiaal voor alles te gebruiken, van het coaten van de scheepsrompen tot het beschermen van kwetsbare eiwitten in orale vaccins. Maar het verkrijgen van de structuur en chemische samenstelling van sporopollenine was een voorwaarde voor verder werk, en sporopollenine frustreerde elke poging.
Chemici bepalen meestal de structuur van een complex molecuul door het op te splitsen in zijn samenstellende delen, de structuur ervan te vinden en ze vervolgens weer in elkaar te zetten. Maar sporopollenine was te inert voor de gebruikelijke chemische middelen om het te verteren. Vanaf de jaren zestig boekten nieuwe biochemische methoden en massaspectrometrie enige vooruitgang met betrekking tot de structuur en chemische samenstelling, en biologen leidden later zelfs enkele details af uit kennis van de genen en enzymatische processen die sporopollenine synthetiseren.
Geen van deze methoden kon echter een volledig beeld van het molecuul opleveren. Sporopollenine leek twee parallelle ruggengraat te hebben gemaakt van moleculen die polyketiden worden genoemd, niet anders dan de suikerruggengraat in de dubbele helix van DNA. Deze ruggengraat bleek verbonden te zijn door een weefsel van verschillende soorten verbindingen. Maar deze schets was onvolledig en sommige bevindingen van de biochemische en genetische methoden waren in strijd met elkaar.
"Het enige waar iedereen het over eens was, was de empirische formule voor de samenstelling van koolstof, waterstof en zuurstof," zei Jozef Banoub, een professor in de chemie en biochemie aan de Memorial University of Newfoundland in Canada.
Pekpijnboom Perfect
Li begon te werken aan sporopollenine kort nadat hij in 2014 als postdoc bij Weng's lab aan het Whitehead Institute kwam werken. In de Cambridge-buurt van Kendall Square, waar biomedisch onderzoek de grootste obsessie is, is het lab een van de weinige plaatsen waar mensen planten bestuderen, met een onderzoeksfocus op de melkweg van botanische moleculen die niet gekarakteriseerd blijven.
Sporopollenine was een onweerstaanbare uitdaging voor Li. De functie ervan was algemeen bekend, en de genen om het te maken zaten in elke zaad- en sporenproducerende plant, wat impliceerde dat sporopollenine een basisaanpassing was waardoor planten op het land konden leven vanaf het allereerste begin van hun ontsnapping uit de oceanen. (Sommige soorten algen maken ook een sporopollenine-achtige stof, wat suggereert dat landplanten de biosynthese van dat molecuul tijdens hun evolutie hebben aangepast.) Toch bleef de chemie achter dat vermogen wazig.
Het zou poëtisch zijn geweest als Li's vroege werk over sporopollenine gebruik had gemaakt van stuifmeel dat was verzameld uit de wateren van Walden Pond. Maar gemak overtrof romantiek: het stuifmeel dat zijn team aanvankelijk bestudeerde, werd besteld bij Amazon. (Stuifmeel van den, die het spul overvloedig produceert, wordt op grote schaal verkocht als een gezondheidssupplement.) De rest kwam van Cape Cod.
Maandenlang hebben Li en zijn medewerkers proefondervindelijke tests uitgevoerd op verbindingen die andere taaie biopolymeren kunnen afbreken. Uiteindelijk ontwikkelden ze een nieuw meerstapsproces dat monsters van stuifmeel kon nemen, ze in een kogelfreesmachine kon slaan en de daarin aanwezige sporopollenine-moleculen chemisch kon breken. De helft van elk molecuul viel uiteen in zes afzonderlijke stukken die vervolgens konden worden gekarakteriseerd met massaspectrometrie.
De andere helft van het molecuul, dat ze de R-groep noemden (voor "recalcitrant"), ging alleen kapot als het werd gemengd met een ander oplossend middel. Ze konden op deze manier een gedeeltelijk beeld van R krijgen, maar het proces degradeerde andere kenmerken van het molecuul, dus nam Li's groep zijn toevlucht tot een meer exotische technologie, vaste-stof-kernmagnetische resonantiespectroscopie, om het te karakteriseren.
Bloemen maakten een verschil
De vrucht van dat werk, een krant gepubliceerd Natuur Planten in december 2018 de meest complete moleculaire structuur van sporopollenine tot nu toe voorgesteld.
In een gesprek gebruikte Li zijn handen om de ingewikkelde vorm van de structuur te beschrijven. Met duim en wijsvinger liet hij zien hoe aromatische moleculen in afwisselende L-vormen aan de ruggengraat hangen. Hij demonstreerde hoe de ruggengraat verbonden is met de dwarsverbindingen door de ene afgeplatte hand schuin in de andere te wijzen, alsof hij een vreemde vorm van gebed verrichtte. Deze basiseenheden zijn met elkaar verbonden om de volledige exine-omhulling te vormen, die in verschillende planten radicaal verschillende vormen aanneemt, hoewel de fundamentele moleculaire subeenheden fundamenteel vergelijkbaar zijn.
De structuur gaf geloof aan het idee dat de winterhardheid van sporopollenine voortkomt uit de gevarieerde, gevlochten verbindingen tussen de ruggengraat. Deze ester- en etherbindingen zijn respectievelijk bestand tegen basische en zure omstandigheden; samen verzetten ze zich tegen beide. De structuur die de groep van Li voorstelde, omvatte ook verschillende aromatische moleculen waarvan bekend is dat ze resistent zijn tegen ultraviolet licht, wat verantwoordelijk was voor het vermogen van sporopollenine om DNA tegen de elementen te beschermen.
"Zonder deze metabolische innovaties zouden planten in de eerste plaats niet van water naar land kunnen migreren", schreef Weng in een e-mail aan kwantum.
Onlangs hebben Li en zijn collega's hun methode gebruikt om sporopollenine te karakteriseren uit meer dan 100 verschillende soorten landplanten die zijn verzameld in botanische tuinen in het noordoosten van de Verenigde Staten. Volgens Li, die zich voorbereidt om de resultaten van het onderzoek voor publicatie in te dienen, varieert de structuur van sporopollenine tussen plantensoorten in een merkwaardig patroon.
Ze ontdekten dat gymnospermen, de landplantengroep die cycaden en coniferen zoals pekdennen omvat, en de zogenaamde lagere landplanten zoals mossen en varens over het algemeen lange, vergelijkbare sporopolleninen hebben. Dit is logisch, want deze planten verspreiden hun stuifmeel willekeurig op de wind; ze hebben sporopollenine met een lange keten nodig om het te beschermen.
Maar onder angiospermen of bloeiende planten is de situatie complexer. Hun bloemen beschermen hun stuifmeel tegen zon en uitdroging, en insecten verplaatsen stuifmeel efficiënt van bloem naar bloem, waardoor de blootstelling aan andere risico's tot een minimum wordt beperkt. Dientengevolge hebben angiospermen hun sporopollenine niet nodig om zo uniform robuust te zijn.
En het maken van sporopollenine met lange keten is een energie-intensief proces, zei Li, dus "toen bloemen zich ontwikkelden, wilden ze geen pijnboomachtige sporopollenine meer produceren." Volgens Li en Weng lijken er significante verschillen te zijn ontstaan tussen de sporopolleninen die worden geproduceerd door de twee belangrijkste categorieën van angiospermen, eenzaadlobbigen en tweezaadlobbigen, die uiteenlopen in de structuren van hun embryo's, bloedvatenstelsel, stengels, wortels en bloemen.
Natuurlijk zijn de verschillen niet absoluut. Sommige bloeiende planten produceren sporopollenine met een dennenachtige structuur, zei Li. "Misschien als we nog eens 6 miljoen jaar hadden, zouden ze de functie daarvan kunnen verliezen", of misschien zijn er andere ecologische checks and balances in het spel die die sporopollenine-structuur voor bepaalde groepen planten behouden.
"Evolutie is geen lijn", zei Li. “Zoals de walvissen. Op een gegeven moment leefden ze op het land; nu leven ze in de oceaan.” Toch hebben walvissen nog steeds kenmerken van landdieren. Misschien bevatten sommige bloempollen verouderde sporen van hun eigen geschiedenis.
Het mysterieuze polymeer
Andere plantenonderzoekers zijn het erover eens dat het structurele werk van Li en Weng aan sporopollenine onze kennis van het molecuul heeft verbeterd. Maar niet allemaal zijn ze ervan overtuigd dat hun voorstel correct is of dat het een einde maakt aan de eeuwenlange zoektocht naar de structuur van sporopollenine.
"Het was veel duidelijker dan voorheen", zei Zhong-Nan Yang, een bioloog die sporopollenine bestudeert aan de Shanghai Normal University. "Maar het moet worden geverifieerd." Hij zei dat Li en zijn collega's nog steeds de genen moeten identificeren die verantwoordelijk zijn voor de enzymen die nodig zijn om bepaalde kenmerken van dennensporopollenine te maken.
A 2020 studie gericht op het "demystificeren en ontrafelen" van de moleculaire structuur van sporopollenine vormde een meer directe uitdaging. Met behulp van een hele reeks methoden en werkend aan sporopollenine uit clubmos in plaats van dennen, kwam de groep van Banoub aan de Memorial University tot een structuur die op verschillende belangrijke manieren verschilde van de door Li en Weng voorgestelde structuur. Het belangrijkste is dat Banoub zei: "We hebben bewezen dat er geen aromatische verbindingen in het sporopollenine zitten." De ongelijkheid, denkt hij, kan worden verklaard door verschillen tussen sporopollenine in dennen- en clubmos.
"Mijn persoonlijke mening is dat ze niet correct zijn", zei Li, maar hij geeft er de voorkeur aan niet verder te reageren totdat enkele relevante resultaten van zijn laboratorium klaar zijn voor publicatie.
"Het is nog steeds een vrij mysterieus polymeer", zegt Teagen Quilichini, een plantenbioloog bij de National Research Council van Canada, die bestudeerde sporopollenine, in een e-mail. "Ondanks wat sommige rapporten suggereren.”
Stoer maar toch eetbaar?
Ondanks de controverses over hun structuur voor sporopollenine, zijn Li en anderen in het Weng-lab verder gegaan met een andere evolutionaire vraag: heeft de natuur ontdekt hoe ze dit bijna onverwoestbare materiaal uit elkaar kan halen?
Terwijl hij rond Walden Pond wandelde op zoek naar andere met stuifmeel bedekte inhammen, vergeleek Li sporopollenine met lignine, het plantaardige polymeer dat hout en schors versterkt. Nadat houtachtige planten ongeveer 360 miljoen jaar geleden voor het eerst zijn geëvolueerd, toont het geologische record een overvloed aan gefossiliseerde lignine in lagen gedurende tientallen miljoenen jaren. Dan plotseling, ongeveer 300 miljoen jaar geleden, verdwijnt de lignine. Zijn verdwijning markeert het moment waarop een schimmel genaamd witrot enzymen ontwikkelde die lignine konden afbreken en veel ervan at voordat het kon fossiliseren.
Sporopollenine, redeneerde Li, moet ook een schimmel of een andere microbe hebben die het kan afbreken. Anders zouden we verdrinken in het spul. Li's back-of-the-enveloppe berekeningen zijn dat er elk jaar 100 miljoen ton sporopollenine in bossen wordt geproduceerd. Dat verklaart niet eens het sporopollenine dat door grassen wordt geproduceerd. Als niets het opeet, waar gaat het dan allemaal heen?
Dit is de reden waarom Li, als bron voor zijn laatste stuifmeelmonster, ervoor koos om af te zien van Amazon Prime ten gunste van een dag in Walden Pond. Waarnemingen van zijn team suggereren dat sommige micro-organismen die in petrischalen worden gekweekt, kunnen overleven als ze alleen sporopollenine en stikstof krijgen. Monsters van Walden, die van nature vol microbiële gemeenschappen in het meer zitten, zouden Li moeten helpen bepalen of populaties van schimmels en andere microben in het wild de voedingsstoffen in de schijnbaar onbreekbare moleculen van sporopollenine kunnen ontsluiten.
Terwijl we aan de rand van de vijver aten van zeewier en mueslirepen, was het gemakkelijk om de hele situatie vanuit het perspectief van de schimmels te zien. De natuur heeft er een hekel aan om een maaltijd te verspillen - zelfs een die zo moeilijk is om op te kauwen.
