Kiedy Fu-Shuang Li, biochemik i naukowiec z Whitehead Institute w Cambridge w stanie Massachusetts, potrzebował pyłku do swoich badań, wiedział, gdzie się udać. Każdej wiosny sosny otaczające staw Walden w Concord uwalniają chmury złotego pyłku, które pokrywają wodę i gromadzą się w galaktycznych wirach na brzegu. Henry David Thoreau, który spędził dwa lata mieszkając nad stawem w latach czterdziestych XIX wieku, zamyka swoją słynną relację z tego doświadczenia, opisując tyle pyłku, że „można było zebrać beczkę”.
Przykucnięta nad brzegiem stawu, w czarnej bluzie z kapturem i dresach, Li zanurzyła się w probówce, wyciągając kilkaset mililitrów wody, naładowanej pyłkiem i tym, co w niej rosło. To nie była beczka pełna tego materiału, ale wystarczyło, by Li podjął wysiłki w celu zbadania molekularnej struktury zewnętrznej powłoki pyłku. Nazywany sporopolleniną, materiał tworzący skorupę jest tak twardy, że czasami nazywany jest diamentem świata roślin.
Od ponad wieku naukowcy próbują zrozumieć chemiczne podstawy niezrównanej siły sporopolleniny. Sporopoleniny chronią DNA w pyłkach i zarodnikach przed światłem, ciepłem, zimnem i wysuszeniem. Bez niego rośliny nie mogłyby żyć na lądzie. Jednak wytrzymałość sporopolleniny sprawiła, że trudno było ją zbadać, nawet dekady po tym, jak odkryto struktury molekularne celulozy, ligniny i innych podstawowych polimerów roślinnych. „Natura wyewoluowała sporopolleninę, aby oprzeć się wszelkim atakom” – powiedział Li. „W tym przez naukowców”.
Ostatnio jednak udało się przezwyciężyć mechanizmy obronne sporopolleniny. W 2018 roku Li i inni badacze z Whitehead, kierowani przez biologa roślin Jing-Ke Wenga, opublikowali pierwszą kompletną strukturę sporopolleniny. Późniejsze prace zespołu, z których część jeszcze nie została opublikowana, dostarczyły więcej szczegółów na temat tego, jak różne grupy roślin dopracowały tę strukturę, aby lepiej zaspokoić swoje potrzeby. Ich proponowana struktura i ulepszony obraz sporopolleniny, jaki oferuje, nie są pozbawione kontrowersji, ale wyjaśniły zasadniczą rolę tej cząsteczki w pomaganiu roślinom w podbijaniu terenu.
Bezwładna zagadka
Wszystkie rośliny siewne wytwarzają pyłek; inne rośliny lądowe, takie jak mech, wytwarzają zarodniki. Przenosząc połowę informacji genetycznej, której rośliny potrzebują do rozmnażania, pyłki i zarodniki przemieszczają się w środowisku na wietrze lub na pomocnym zwierzęciu, aby dotrzeć do innej rośliny swojego gatunku i zapłodnić jej komórkę jajową. Ale po drodze pyłki i zarodniki muszą zmagać się z niebezpieczeństwami, od odwodnienia przez promienie ultrafioletowe słońca po głodne owady. Odkąd rośliny po raz pierwszy zostały zakupione na lądzie około 470 milionów lat temu, zapewnienie bezpieczeństwa informacji genetycznej w pyłkach i zarodnikach podczas ich drogi do zapłodnienia jest niezwykle ważne.
Główną strategią, jaką stosują rośliny w celu ochrony tego DNA, jest zamknięcie go w specjalnej skorupie sporopolleniny, która jest nieprzepuszczalna dla elementów i jest jednym z najtwardszych materiałów wytwarzanych przez jakąkolwiek żywą istotę. Został znaleziony w stanie nienaruszonym w skałach sprzed pół miliarda lat. A Papier 2016 odkryli, że dzięki solidności sporopolleniny zarodniki zachowały stabilność w diamentowych kowadłach przy ciśnieniu 10 gigapaskali, czyli 725 ton na cal kwadratowy.
Badacze znali sporopolleninę i zastanawiali się nad nią od co najmniej 1814 roku. Zaobserwowali, że nawet po chemicznym rozpuszczeniu reszty ziarna pyłku lub zarodnika, zawsze pozostawała dziwna substancja. Przez większość następnego stulecia badający go w zarodnikach i pyłku pracowali oddzielnie, nazywając go wyłącznie sporoniną lub pyłkiem. Nazwano ją sporopolleniną w 1931 roku, aby uspokoić obie społeczności.
Przez kolejne dziesięciolecia wiedza o cząsteczce w dużej mierze kończyła się na nazwie. Naukowcy uznali, że sporopollenina może być kluczem do zrozumienia, w jaki sposób rośliny podbijają niemal każde siedlisko na Ziemi, i marzyli o wykorzystaniu tego materiału do wszystkiego, od pokrywania kadłubów statków po ochronę delikatnych białek w szczepionkach doustnych. Jednak uzyskanie struktury i składu chemicznego sporopolleniny było warunkiem wstępnym do dalszych prac, a sporopollenina frustrowała każdy wysiłek.
Chemicy zazwyczaj określają strukturę złożonej cząsteczki, rozkładając ją na części składowe, znajdując ich strukturę, a następnie składając je z powrotem. Ale sporopollenina była zbyt obojętna, aby zwykłe środki chemiczne mogły ją strawić. Począwszy od lat sześćdziesiątych, nowe metody biochemiczne i spektrometria mas poczyniły pewne postępy w zakresie struktury i składu chemicznego, a później biolodzy wywnioskowali nawet pewne szczegóły na podstawie wiedzy o genach i procesach enzymatycznych, które syntetyzują sporopolleninę.
Żadna z tych metod nie była jednak w stanie dostarczyć pełnego obrazu cząsteczki. Sporopoleniny wydawały się mieć dwa równoległe szkielety zbudowane z cząsteczek zwanych poliketydami, podobnie jak szkielety cukrowe w podwójnej helisie DNA. Te kręgosłupy wydawały się być połączone splotem powiązań różnego typu. Ale ten szkic był niekompletny, a niektóre odkrycia metod biochemicznych i genetycznych były ze sobą sprzeczne.
„Jedyną rzeczą, co do której wszyscy się zgadzali, był empiryczny wzór na skład węgla, wodoru i tlenu” – powiedział Józef Banoub, profesor chemii i biochemii na Memorial University of Newfoundland w Kanadzie.
Smoła sosna idealna
Li rozpoczął pracę nad sporopolleniną wkrótce po tym, jak w 2014 roku dołączył do laboratorium Wenga w Whitehead Institute jako postdoc. W sąsiedztwie Kendall Square w Cambridge, gdzie badania biomedyczne są główną obsesją, laboratorium jest jednym z niewielu miejsc, w których ludzie badają rośliny. skupiając się na badaniach galaktyki molekuł botanicznych, które pozostają niescharakteryzowane.
Sporopolenin był dla Li nieodpartym wyzwaniem. Jej funkcja była dobrze znana, a geny odpowiedzialne za jej wytwarzanie znajdowały się w każdej roślinie produkującej nasiona i zarodniki, co sugerowało, że sporopollenina jest podstawową adaptacją umożliwiającą roślinom życie na lądzie na samym początku ich ucieczki z oceanów. (Niektóre gatunki glonów wytwarzają również substancję podobną do sporopolleniny, co sugeruje, że rośliny lądowe przystosowały biosyntezę tej cząsteczki podczas ewolucji.) Jednak chemia stojąca za tą zdolnością pozostała niejasna.
Byłoby poetyckie, gdyby wczesna praca Li nad sporopolleniną wykorzystywała pyłek zebrany z wód stawu Walden. Ale wygoda przebiła romans: pyłek, który początkowo badał jego zespół, został zamówiony w Amazon. (Pyłek sosny smołowej, która obficie produkuje ten produkt, jest szeroko sprzedawany jako suplement zdrowotny.) Reszta pochodzi z Cape Cod.
Przez wiele miesięcy Li i jego współpracownicy przeprowadzali testy metodą prób i błędów związków, które mogą degradować inne wytrzymałe biopolimery. W końcu opracowali nowy, wieloetapowy proces, który może pobierać próbki pyłku, ubijać je w młynku kulowym i chemicznie rozbijać zawarte cząsteczki sporopolleniny. Połowa każdej cząsteczki rozpadła się na sześć odrębnych części, które można następnie scharakteryzować za pomocą spektrometrii masowej.
Druga połowa cząsteczki, którą nazwali grupą R (od „opornego”), rozpadła się dopiero po zmieszaniu z innym środkiem rozpuszczającym. Mogli w ten sposób uzyskać częściowy obraz R, ale proces ten degradował inne cechy cząsteczki, więc grupa Li uciekła się do bardziej egzotycznej technologii, spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego w stanie stałym, aby ją scharakteryzować.
Kwiaty zrobiły różnicę
Owocem tej pracy, papier opublikowane w Natura Rośliny w grudniu 2018 r. zaproponował najpełniejszą do tej pory strukturę molekularną sporopolleniny.
W rozmowie Li za pomocą rąk opisał misterny kształt konstrukcji. Kciukiem i palcem wskazującym pokazał, jak aromatyczne cząsteczki zwisają z kręgosłupa naprzemiennie w kształcie litery L. Pokazał, w jaki sposób kręgosłup jest związany z wiązaniami krzyżowymi, wskazując jedną spłaszczoną rękę w drugą pod kątem, jakby angażował się w jakąś dziwną formę modlitwy. Te podstawowe jednostki łączą się ze sobą, tworząc kompletną powłokę egzyny, która przybiera radykalnie różne kształty w różnych roślinach, chociaż podstawowe podjednostki molekularne są zasadniczo podobne.
Struktura ta uwiarygodniała ideę, że twardość sporopolleniny wynika z różnorodnych, splecionych wiązań między kręgosłupami. Te wiązania estrowe i eterowe są odporne, odpowiednio, na warunki zasadowe i kwasowe; razem sprzeciwiają się obu. Struktura zaproponowana przez grupę Li obejmowała również kilka aromatycznych cząsteczek, o których wiadomo, że są odporne na światło ultrafioletowe, co odpowiadało za zdolność sporopolleniny do ochrony DNA przed elementami.
„Bez tych innowacji metabolicznych rośliny nie byłyby w stanie migrować z wody na ląd” – napisał Weng w e-mailu do Ilość.
Ostatnio Li i jego koledzy wykorzystali swoją metodę do scharakteryzowania sporopolleniny z ponad 100 różnych gatunków roślin lądowych zebranych z ogrodów botanicznych w północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych. Według Li, który przygotowuje się do przedstawienia wyników badania do publikacji, struktura sporopolleniny różni się w różnych typach roślin w dziwny wzór.
Odkryli, że rośliny nagonasienne, grupa roślin lądowych, do której należą sagowce i drzewa iglaste, takie jak sosna smołowa, oraz tak zwane rośliny niższego lądu, takie jak mchy i paprocie, mają zwykle długie, podobne sporopolleny. Ma to sens, ponieważ rośliny te, chcąc nie chcąc, roznoszą swój pyłek na wietrze; potrzebują długołańcuchowej sporopolleniny, aby ją chronić.
Ale wśród roślin okrytonasiennych, czyli roślin kwitnących, sytuacja jest bardziej złożona. Ich kwiaty osłaniają pyłek przed słońcem i wysuszeniem, a owady skutecznie przenoszą pyłek z kwiatka na kwiatek, minimalizując narażenie na inne zagrożenia. W konsekwencji, okrytozalążkowe nie potrzebują sporopolleniny, aby były tak jednorodnie wytrzymałe.
A wytwarzanie długołańcuchowej sporopolleniny jest procesem energochłonnym, powiedział Li, więc „kiedy kwiaty wyewoluowały, nie chciały już produkować sporopolleniny podobnej do sosny”. Według Li i Wenga, wydaje się, że znaczące różnice wyewoluowały między sporopolleninami wytwarzanymi przez dwie główne kategorie roślin okrytozalążkowych, jednoliściennych i dwuliściennych, które różnią się strukturą zarodków, unaczynieniem, łodygami, korzeniami i kwiatami.
Oczywiście różnice nie są absolutne. Niektóre rośliny kwitnące wytwarzają sporopolleninę o strukturze podobnej do sosny, powiedział Li. „Może gdybyśmy mieli jeszcze 6 milionów lat, mogą stracić te funkcje”, a może istnieją inne ekologiczne mechanizmy kontroli i równowagi w zachowaniu tej struktury sporopolleniny dla pewnych grup roślin.
„Ewolucja nie jest linią”, powiedział Li. „Jak wieloryby. W pewnym momencie żyli na lądzie; teraz żyją w oceanie”. Jednak wieloryby nadal mają pewne cechy zwierząt lądowych. Być może niektóre pyłki kwiatowe zachowują przestarzałe ślady własnej historii.
Tajemniczy polimer
Inni badacze roślin zgadzają się, że strukturalne prace Li i Wenga nad sporopolleniną polepszyły naszą wiedzę na temat tej cząsteczki. Ale nie wszyscy są przekonani, że ich propozycja jest słuszna lub że kończy stuletnie poszukiwania struktury sporopolleniny.
„To było znacznie jaśniejsze niż wcześniej”, powiedział Zhong-Nan Yang, biolog, który bada sporopolleninę na Shanghai Normal University. „Ale to musi zostać zweryfikowane”. Powiedział, że Li i jego koledzy wciąż muszą zidentyfikować geny odpowiedzialne za enzymy potrzebne do wytworzenia pewnych cech sporopolleniny sosny.
A Badanie 2020 mające na celu „demistyfikacja i rozwikłanie” struktury molekularnej sporopolleniny stanowiło bardziej bezpośrednie wyzwanie. Korzystając z wielu metod i pracując nad sporopolleniną z mchu widłowego, a nie z sosny, grupa Banouba z Memorial University doszła do struktury, która różniła się pod kilkoma ważnymi względami od tej, którą zaproponowali Li i Weng. Co najważniejsze, Banoub powiedział: „Udowodniliśmy, że w sporopolleninie nie ma związków aromatycznych”. Jak sądzi, tę różnicę można wyjaśnić różnicami między sporopolleniną w mchu sosnowym i widłach.
„Mój osobisty pogląd jest taki, że nie są poprawne”, powiedział Li, ale woli nie komentować dalej, dopóki niektóre istotne wyniki z jego laboratorium nie będą gotowe do publikacji.
„To wciąż dość tajemniczy polimer” – skomentował Teagen Quilichini, biolog roślin z Kanadyjskiej Narodowej Rady Badawczej, który badał sporopolleninę, w e-mailu. "Pomimo tego, co sugerują niektóre raporty”.
Twardy, ale nadal jadalny?
Pomimo kontrowersji dotyczących ich struktury dla sporopolleniny, Li i inni w laboratorium Wenga przeszli do innego ewolucyjnego pytania: Czy natura wymyśliła, jak rozebrać na części ten prawie niezniszczalny materiał, który złożyła w całość?
Wędrując po stawie Walden w poszukiwaniu innych wlotów pokrytych pyłkiem, Li porównał sporopolleninę z ligniną, polimerem roślinnym wzmacniającym drewno i korę. Po tym, jak rośliny drzewiaste wyewoluowały po raz pierwszy około 360 milionów lat temu, zapis geologiczny wskazuje na obfitość skamieniałej ligniny w warstwach przez dziesiątki milionów lat. Nagle, około 300 milionów lat temu, lignina zniknęła. Jego zniknięcie oznacza moment, w którym grzyb zwany białą zgnilizną wyewoluował enzymy zdolne do degradacji ligniny i zjadł jej znaczną część, zanim zdążyła się zastygnąć.
Sporopoleniny, rozumował Li, muszą również zawierać grzyby lub inne drobnoustroje zdolne do ich rozkładania. W przeciwnym razie utonęlibyśmy w tym materiale. Z ostatnich obliczeń Li wynika, że każdego roku w lasach wytwarza się 100 milionów ton sporopolleniny. To nawet nie wyjaśnia sporopolleniny wytwarzanej przez trawy. Jeśli nic go nie zjada, dokąd to wszystko zmierza?
Właśnie dlatego, jako źródło swojej najnowszej próbki pyłku, Li zdecydował się zrezygnować z Amazon Prime na rzecz dnia w Walden Pond. Obserwacje jego zespołu sugerują, że niektóre mikroorganizmy wyhodowane na szalkach Petriego mogą przetrwać, gdy są karmione wyłącznie sporopolleniną i azotem. Próbki z Walden, które są naturalnie pełne społeczności drobnoustrojów jeziornych, powinny pomóc Li określić, czy populacje grzybów i innych drobnoustrojów żyjących na wolności mogą uwolnić składniki odżywcze z pozornie nierozerwalnych cząsteczek sporopolleniny.
Gdy podjadaliśmy batoniki z wodorostami i muesli nad brzegiem stawu, łatwo było zobaczyć całą sytuację z perspektywy grzybów. Natura nie znosi marnowania posiłku — nawet tak trudnego do przeżucia.
