Når Fu-Shuang Li, en biokjemiker og forsker ved Whitehead Institute i Cambridge, Massachusetts, trengte litt pollen til forskningen sin, han visste akkurat hvor han skulle gå. Hver vår frigjør furutrærne som ringer ved Walden Pond i Concord skyer av gyllent pollen som dekker vannet og samler seg i galaktiske virvler mot kysten. Henry David Thoreau, som tilbrakte to år ved siden av dammen på 1840-tallet, avslutter sin berømte beretning om opplevelsen ved å beskrive så mye pollen, "du kunne ha samlet en tønne."
Li huket seg ved dammens kant i en svart hettegenser og joggebukse, dyppet i et reagensrør og trakk ut noen hundre milliliter vann, lastet med pollen og hva som ellers vokste i det. Det var langt fra en tønne full av ting, men det var mer enn nok for Lis innsats for å studere den molekylære strukturen til pollens ytre skall. Kalt sporopollenin, materialet som utgjør skallet er så tøft at det noen ganger har blitt kalt planteverdenens diamant.
I mer enn et århundre har forskere forsøkt å forstå det kjemiske grunnlaget for sporopollenins enestående styrke. Sporopollenin beskytter DNA i pollen og sporer mot lys, varme, kulde og uttørking. Uten den ville ikke planter kunne leve på land. Men sporopollenins seighet gjorde det vanskelig å studere, selv flere tiår etter at de molekylære strukturene til cellulose, lignin og andre grunnleggende plantepolymerer hadde blitt forvirret. "Naturen utviklet sporopollenin for å motstå ethvert angrep," sa Li. "Inkludert av forskere."
Nylig kan imidlertid sporopollenins forsvar ha blitt overvunnet. I 2018, Li og andre forskere ved Whitehead, ledet av plantebiologen Jing-Ke Weng, publiserte den første komplette strukturen til sporopollenin. Etterfølgende arbeid fra teamet, noe av det ennå ikke publisert, har fylt ut flere detaljer om hvordan ulike grupper av planter finjustert strukturen for bedre å møte deres behov. Deres foreslåtte struktur og det forbedrede synet på sporopollenin det gir er ikke uten kontrovers, men det har tydeliggjort molekylets essensielle rolle i å hjelpe planter med å erobre landet.
Den inerte gåten
Alle frøplanter lager pollen; andre landplanter, som mose, produserer sporer. Ved å bære halvparten av den genetiske informasjonen som plantene trenger for å reprodusere, beveger pollen og sporer seg gjennom miljøet på vinden eller på et nyttig dyr, for å nå en annen plante av deres art og befrukte eggcellen. Men underveis må pollen og sporer kjempe med farer som spenner fra dehydrering til solens ultrafiolette stråler til sultne insekter. Siden planter først ble kjøpt på land for rundt 470 millioner år siden, har det vært svært viktig å holde den genetiske informasjonen i pollen og sporer trygg under reisen til befruktning.
Hovedstrategien som planter bruker for å beskytte det DNA-et er å omslutte det i et spesialisert skall av sporopollenin, som er ugjennomtrengelig for elementene og blant de tøffeste materialene som produseres av noen levende ting. Den er funnet intakt i en halv milliard år gamle bergarter. EN 2016 papir fant at på grunn av robustheten til sporopollenin, opprettholdt sporer sin stabilitet i diamantambolter ved trykk på 10 gigapascal, eller 725 tonn per kvadrattomme.
Forskere har visst og lurt på sporopollenin siden minst 1814. De observerte at selv etter at resten av et pollenkorn eller spore var kjemisk oppløst bort, ble det alltid et merkelig stoff igjen. I det meste av det neste århundre arbeidet de som studerte det i sporer og pollen separat, og refererte til det utelukkende som enten sporonin eller pollenin. Det ble kalt sporopollenin i 1931 for å blidgjøre begge samfunn.
I flere tiår deretter endte kunnskap om molekylet stort sett med navnet. Forskere erkjente at sporopollenin kan være nøkkelen til å forstå hvordan planter erobret nesten alle habitater på jorden, og de drømte om å bruke materialet til alt fra å belegge skipsskrogene til å beskytte skjøre proteiner i orale vaksiner. Men å få struktur og kjemisk sammensetning av sporopollenin var en forutsetning for videre arbeid, og sporopollenin frustrerte enhver innsats.
Kjemikere bestemmer vanligvis strukturen til et komplekst molekyl ved å bryte det ned i dets bestanddeler, finne strukturen til disse og deretter sette dem sammen igjen. Men sporopollenin var for inert til at de vanlige kjemiske midlene kunne fordøye det. Fra og med 1960-tallet gjorde nye biokjemiske metoder og massespektrometri noen fremskritt med hensyn til strukturen og den kjemiske sammensetningen, og biologer har senere til og med utledet noen detaljer fra kunnskap om genene og enzymatiske prosessene som syntetiserer sporopollenin.
Ingen av disse metodene kunne imidlertid gi et fullstendig bilde av molekylet. Sporopollenin så ut til å ha to parallelle ryggrader laget av molekyler kalt polyketider, ikke ulikt sukkerryggradene i den doble helixen til DNA. Disse ryggradene så ut til å være forbundet med en vev av koblinger av forskjellige typer. Men denne skissen var ufullstendig, og noen av funnene fra de biokjemiske og genetiske metodene kom i konflikt med hverandre.
"Det eneste som alle var enige om var den empiriske formelen for sammensetningen av karbon, hydrogen, oksygen," sa Joseph Banoub, professor i kjemi og biokjemi ved Memorial University of Newfoundland i Canada.
Pitch Pine Perfekt
Li begynte å jobbe med sporopollenin like etter at han begynte i Wengs laboratorium ved Whitehead Institute som postdoktor i 2014. I Cambridge-området på Kendall Square, hvor biomedisinsk forskning er den primære besettelse, er laboratoriet et av få steder hvor folk studerer planter, med forskningsfokus på galaksen av botaniske molekyler som forblir ukarakteriserte.
Sporopollenin var en uimotståelig utfordring for Li. Dens funksjon var velkjent, og genene for å lage den var i alle frø- og sporeproduserende planter, noe som antydet at sporopollenin var en grunnleggende tilpasning som gjorde det mulig for planter å leve på land helt i begynnelsen av deres rømning fra havene. (Noen algearter lager også et sporopollenin-lignende stoff, noe som antyder at landplanter tilpasset biosyntesen til det molekylet under utviklingen.) Likevel forble kjemien bak den evnen uklar.
Det ville vært poetisk om Lis tidlige arbeid med sporopollenin hadde brukt pollen samlet fra vannet i Walden Pond. Men bekvemmeligheten trumfet romantikken: Pollenet hans team først studerte ble bestilt fra Amazon. (Pollen fra bekfuru, som produserer rikelig, selges mye som helsetilskudd.) Resten kom fra Cape Cod.
I flere måneder kjørte Li og hans samarbeidspartnere prøving-og-feil-testing på forbindelser som kan bryte ned andre tøffe biopolymerer. Etter hvert utviklet de en ny flertrinnsprosess som kunne ta prøver av pollen, slå dem i en kulefresemaskin og kjemisk bryte de inneholdte sporopolleninmolekylene. Halvparten av hvert molekyl brøt ned i seks forskjellige deler som deretter kunne karakteriseres ved massespektrometri.
Den andre halvparten av molekylet, som de kalte R-gruppen (for "motstridende"), brøt kun sammen når de ble blandet med et annet oppløsningsmiddel. De kunne få en delvis oversikt over R på denne måten, men prosessen degraderte andre egenskaper ved molekylet, så Li's gruppe brukte en mer eksotisk teknologi, solid-state kjernemagnetisk resonansspektroskopi, for å karakterisere det.
Blomster gjorde en forskjell
Frukten av det arbeidet, et papir publisert i Naturplanter i desember 2018 foreslo den mest komplette molekylære strukturen til sporopollenin til dags dato.
I samtalen brukte Li hendene for å beskrive den intrikate formen til strukturen. Med tommelen og pekefingeren viste han hvordan aromatiske molekyler henger fra ryggraden i vekslende L-former. Han demonstrerte hvordan ryggraden er bundet sammen med tverrbindingene ved å peke den ene flate hånden inn i den andre i en vinkel, som om han engasjerte seg i en eller annen merkelig form for bønn. Disse grunnleggende enhetene kobles sammen for å danne det komplette exinskallet, som tar på seg radikalt forskjellige former i forskjellige planter, selv om de grunnleggende molekylære underenhetene er fundamentalt like.
Strukturen ga troverdighet til ideen om at hardheten til sporopollenin oppstår fra de varierte, flettede koblingene mellom ryggradene. Disse ester- og eterbindingene er resistente mot henholdsvis basiske og sure forhold; sammen motstår de begge. Strukturen som Li's gruppe foreslo inkluderte også flere aromatiske molekyler kjent for å være resistente mot ultrafiolett lys, noe som sto for sporopollenins evne til å beskytte DNA fra elementene.
"Uten disse metabolske innovasjonene, ville planter ikke ha vært i stand til å migrere fra vann til land i utgangspunktet," skrev Weng i en e-post til Quanta.
Nylig brukte Li og hans kolleger metoden deres for å karakterisere sporopollenin fra mer enn 100 forskjellige landplantearter samlet inn fra botaniske hager rundt i det nordøstlige USA. Ifølge Li, som forbereder å sende inn resultatene av studien for publisering, varierer strukturen til sporopollenin på tvers av plantetyper i et merkelig mønster.
De fant at gymnospermer, landplantegruppen som inkluderer cycader og bartrær som bekfuru, og de såkalte lavere landplantene som moser og bregner har en tendens til å ha lange, lignende sporopolleniner. Dette er fornuftig fordi disse plantene sprer pollen villig-nilly på vinden; de trenger langkjedet sporopollenin for å beskytte det.
Men blant angiospermer, eller blomstrende planter, er situasjonen mer kompleks. Blomstene deres skygger pollen fra sol og uttørking, og insekter flytter pollen effektivt fra blomst til blomst, og minimerer eksponeringen for andre risikoer. Følgelig trenger ikke angiospermer sporopolleninet sitt for å være så jevnt robust.
Og å lage langkjedet sporopollenin er en energikrevende prosess, sa Li, så "da blomstene utviklet seg, ønsket de ikke å produsere furelignende sporopollenin lenger." I følge Li og Weng ser det ut til at det har utviklet seg betydelige forskjeller mellom sporopolleninene som produseres av de to hovedkategoriene angiospermer, monokotblade og dikotyleblader, som divergerer i strukturene til deres embryoer, vaskulatur, stilker, røtter og blomster.
Selvfølgelig er ikke forskjellene absolutte. Noen blomstrende planter produserer sporopollenin med en furu-lignende struktur, sa Li. "Kanskje hvis vi hadde ytterligere 6 millioner år, kan de miste funksjonen til disse," eller kanskje det er andre økologiske kontroller og balanser som bevarer sporopolleninstrukturen for visse grupper av planter.
"Evolusjon er ikke en linje," sa Li. «Som hvalene. På et tidspunkt bodde de på land; nå lever de i havet.» Likevel har hvaler fortsatt noen landdyregenskaper. Kanskje noen blomsterpollen beholder foreldede spor av sin egen historie.
Den mystiske polymeren
Andre planteforskere er enige om at Li og Wengs strukturelle arbeid med sporopollenin har forbedret vår kunnskap om molekylet. Men ikke alle er overbevist om at forslaget deres er riktig eller at det avslutter den århundrelange letingen etter strukturen til sporopollenin.
"Det var mye klarere enn før," sa Zhong-Nan Yang, en biolog som studerer sporopollenin ved Shanghai Normal University. "Men det må verifiseres." Han sa at Li og kollegene hans fortsatt må identifisere genene som er ansvarlige for enzymene som trengs for å lage visse trekk ved furusporopollenin.
A 2020 studie rettet mot å "avmystifisere og nøste opp" den molekylære strukturen til sporopollenin utgjorde en mer direkte utfordring. Ved å bruke en mengde metoder og arbeide med sporopollenin fra klubbmose i stedet for furu, kom Banoubs gruppe ved Memorial University frem til en struktur som på flere viktige måter skilte seg fra den som ble foreslått av Li og Weng. Viktigst, sa Banoub: "Vi har bevist at det ikke er noen aromatiske forbindelser i sporopolleninet." Ulikheten tror han kan forklares med forskjeller mellom sporopollenin i furu og klubbmose.
"Min personlige oppfatning er at de ikke er korrekte," sa Li, men han foretrekker ikke å kommentere ytterligere før noen relevante resultater fra laboratoriet hans er klare for publisering.
"Det er fortsatt ganske mystisk polymer," kommenterte Teagen Quilichini, en plantebiolog ved Canadas nasjonale forskningsråd som har studerte sporopollenin, i en e-post. 'Til tross for hva noen rapporter antyder."
Tøft, men fortsatt spiselig?
Til tross for kontroversene om deres struktur for sporopollenin, har Li og andre i Weng-laboratoriet gått videre til et annet evolusjonært spørsmål: Har naturen funnet ut hvordan man kan ta fra hverandre dette nesten uforgjengelige materialet den har satt sammen?
Da han vandret rundt Walden Pond på jakt etter andre pollenbelagte innløp, sammenlignet Li sporopollenin med lignin, plantepolymeren som styrker tre og bark. Etter at treplanter først utviklet seg for rundt 360 millioner år siden, viser den geologiske registreringen en overflod av fossilisert lignin i lag i flere titalls millioner år. Så plutselig forsvant ligninet for rundt 300 millioner år siden. Dens forsvinning markerer øyeblikket da en sopp kalt hvitråte utviklet enzymer som var i stand til å bryte ned lignin og spiste mye av det før det kunne fossilisere seg.
Sporopollenin, resonnerer Li, må også ha en sopp eller annen mikrobe som er i stand til å bryte den ned. Ellers ville vi druknet i ting. Lis bak-av-konvolutt-beregninger er at 100 millioner tonn sporopollenin produseres i skoger hvert år. Det tar ikke engang hensyn til sporopolleninet som produseres av gress. Hvis ingenting spiser det, hvor blir det av?
Dette er grunnen til at Li, som kilde for sin siste prøve av pollen, valgte å gi avkall på Amazon Prime til fordel for en dag på Walden Pond. Observasjoner fra teamet hans tyder på at noen mikroorganismer dyrket i petriskåler kan overleve når de ikke får noe annet enn sporopollenin og nitrogen. Prøver fra Walden, som naturlig er fulle av mikrobielle samfunn i innsjøer, bør hjelpe Li med å finne ut om populasjoner av sopp og andre mikrober i naturen kan låse opp næringsstoffene i sporopollenins tilsynelatende uknuselige molekyler.
Mens vi spiste tang og granolabarer ved dammens kant, var det lett å se hele situasjonen fra soppens perspektiv. Naturen hater å kaste bort et måltid - selv et som er så vanskelig å tygge.
