Cand Fu-Shuang Li, un biochimist și om de știință de la Institutul Whitehead din Cambridge, Massachusetts, avea nevoie de niște polen pentru cercetările sale, știa exact unde să meargă. În fiecare primăvară, pinii care înconjoară Walden Pond din Concord eliberează nori de polen auriu care acoperă apa și se adună în vârtej galactic pe țărm. Henry David Thoreau, care a petrecut doi ani trăind lângă iaz în anii 1840, își încheie celebra relatare despre experiență descriind atât de mult polen, „ai fi putut strânge un butoi”.
Ghemuit la marginea iazului, îmbrăcat cu un hanorac negru și pantaloni de trening, Li se scufundă într-o eprubetă, scoțând câteva sute de mililitri de apă, încărcată cu polen și orice altceva creștea în ea. Era departe de a fi un butoi plin de chestii, dar a fost mai mult decât suficient pentru eforturile lui Li de a studia structura moleculară a învelișului exterior al polenului. Numit sporopolenin, materialul care alcătuiește coaja este atât de dur încât a fost numit uneori diamantul lumii plantelor.
Timp de mai bine de un secol, oamenii de știință au încercat să înțeleagă baza chimică a puterii de neegalat a sporopoleninei. Sporopolenina protejează ADN-ul din polen și spori de lumină, căldură, frig și uscare. Fără el, plantele nu ar putea trăi pe uscat. Dar duritatea sporopoleninei a făcut să fie dificil de studiat, chiar și la zeci de ani după ce structurile moleculare ale celulozei, ligninei și altor polimeri de bază vegetali au fost nedumerite. „Natura a dezvoltat sporopolenina pentru a rezista oricărui atac”, a spus Li. „Inclusiv de către oamenii de știință.”
Cu toate acestea, recent, apărarea sporopoleninei ar fi fost depășită. În 2018, Li și alți cercetători de la Whitehead, conduși de biologul vegetal Jing-Ke Weng, a publicat prima structură completă a sporopoleninei. Lucrările ulterioare ale echipei, unele dintre ele nepublicate încă, au completat mai multe detalii despre modul în care diferite grupuri de plante au ajustat acea structură pentru a răspunde mai bine nevoilor lor. Structura lor propusă și imaginea îmbunătățită a sporopoleninei pe care o oferă nu este lipsită de controverse, dar a clarificat rolul esențial al moleculei în a ajuta plantele să cucerească pământul.
Enigma inertă
Toate plantele însămânțate produc polen; alte plante terestre, cum ar fi mușchiul, produc spori. Purtând jumătate din informațiile genetice de care plantele au nevoie pentru a se reproduce, polenul și sporii se deplasează prin mediu prin vânt sau pe un animal de ajutor, pentru a ajunge la o altă plantă din specia lor și a-și fertiliza celula ou. Dar pe parcurs, polenul și sporii trebuie să se confrunte cu pericole care variază de la deshidratare la razele ultraviolete ale soarelui până la insecte înfometate. De când plantele au găsit pentru prima dată achiziționate pe pământ în urmă cu aproximativ 470 de milioane de ani, păstrarea informațiilor genetice din polen și spori în siguranță în timpul călătoriei lor către fertilizare a fost de o importanță vitală.
Principala strategie pe care plantele o folosesc pentru a proteja acel ADN este de a-l înveli într-o înveliș specializată de sporopolenină, care este impermeabilă la elemente și printre cele mai dure materiale produse de orice ființă vie. A fost găsit intact în roci vechi de jumătate de miliard de ani. A Hârtie 2016 a constatat că, datorită robusteții sporopoleninei, sporii și-au menținut stabilitatea în nicovalele de diamant la presiuni de 10 gigapascali, sau 725 de tone pe inch pătrat.
Cercetătorii cunosc și s-au întrebat despre sporopolenină din cel puțin 1814. Ei au observat că, chiar și după ce restul unui grăunte sau spor de polen a fost dizolvat chimic, a rămas întotdeauna o substanță ciudată. În cea mai mare parte a secolului următor, cei care îl studiau în spori și polen au lucrat separat, referindu-se la el exclusiv fie ca sporonină, fie ca polenină. A fost numit sporopolenin în 1931 pentru a liniști ambele comunități.
Decenii după aceea, cunoștințele despre moleculă s-au încheiat în mare măsură cu numele. Cercetătorii au recunoscut că sporopolenina ar putea fi esențială pentru înțelegerea modului în care plantele au cucerit aproape fiecare habitat de pe Pământ și au visat să folosească materialul pentru orice, de la acoperirea corpului navelor până la protejarea proteinelor fragile în vaccinurile orale. Dar obținerea structurii și compoziției chimice a sporopoleninei a fost o condiție prealabilă pentru orice muncă ulterioară, iar sporopolenina a frustrat orice efort.
Chimiștii determină de obicei structura unei molecule complexe prin descompunerea acesteia în părțile sale constitutive, găsirea structurii acestora, apoi împreunându-le la loc. Dar sporopolenina era prea inertă pentru ca agenții chimici obișnuiți să o digere. Începând cu anii 1960, noile metode biochimice și spectrometria de masă au făcut unele progrese în ceea ce privește structura și compoziția chimică, iar biologii au dedus mai târziu chiar unele detalii din cunoașterea genelor și a proceselor enzimatice care sintetizează sporopolenina.
Niciuna dintre aceste metode, însă, nu a putut oferi o imagine completă a moleculei. Sporopolenina părea să aibă două schele vertebrale paralele formate din molecule numite policetide, nu spre deosebire de coloana vertebrală a zahărului din dubla helix a ADN-ului. Aceste coloane vertebrale păreau să fie conectate printr-o țesătură de legături de diferite tipuri. Dar această schiță a fost incompletă, iar unele dintre constatările metodelor biochimice și genetice au fost în conflict între ele.
„Singurul lucru asupra căruia toată lumea a fost de acord a fost formula empirică pentru compoziția carbonului, hidrogenului și oxigenului”, a spus Joseph Banoub, profesor de chimie și biochimie la Universitatea Memorial din Newfoundland din Canada.
Pitch Pine Perfect
Li a început să lucreze la sporopolenină la scurt timp după ce s-a alăturat laboratorului lui Weng de la Institutul Whitehead ca post-doctorat în 2014. În cartierul Cambridge din Kendall Square, unde cercetarea biomedicală este obsesia principală, laboratorul este unul dintre puținele locuri în care oamenii studiază plantele, cu un accent de cercetare asupra galaxiei de molecule botanice care rămân necaracterizate.
Sporopollenina a fost o provocare irezistibilă pentru Li. Funcția sa era bine cunoscută, iar genele care au făcut-o se aflau în fiecare plantă producătoare de semințe și spori, ceea ce a implicat că sporopolenina era o adaptare de bază care permite plantelor să trăiască pe uscat chiar la începutul evadării lor din oceane. (Unele specii de alge produc și o substanță asemănătoare sporopoleninei, ceea ce sugerează că plantele terestre au adaptat biosinteza acelei molecule în timpul evoluției lor.) Cu toate acestea, chimia din spatele acestei abilități a rămas neclară.
Ar fi fost poetic dacă lucrările timpurii ale lui Li asupra sporopoleninei ar fi folosit polenul colectat din apele iazului Walden. Dar comoditatea a depășit romantismul: polenul pe care echipa sa l-a studiat inițial a fost comandat de la Amazon. (Polenul din smoala de pin, care produce abundent chestia, este vândut pe scară largă ca supliment de sănătate.) Restul a venit de la Cape Cod.
Timp de luni de zile, Li și colaboratorii săi au efectuat teste de încercare și eroare pe compuși care pot degrada alți biopolimeri duri. În cele din urmă, au dezvoltat un nou proces în mai multe etape care ar putea preleva mostre de polen, le-ar putea împinge într-o mașină de frezat cu bile și ar putea fractura chimic moleculele de sporopolenină conținute. Jumătate din fiecare moleculă s-a descompus în șase bucăți distincte care ar putea fi apoi caracterizate prin spectrometrie de masă.
Cealaltă jumătate a moleculei, pe care au numit-o grupa R (pentru „recalcitrant”), s-a rupt doar atunci când a fost amestecată cu un alt agent de dizolvare. Ei au putut obține o vedere parțială a lui R în acest fel, dar procesul a degradat alte caracteristici ale moleculei, așa că grupul lui Li a recurs la o tehnologie mai exotică, spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară în stare solidă, pentru a o caracteriza.
Florile au făcut diferența
rodul acelei lucrări, o hartie publicat în Plantele naturii în decembrie 2018, a propus cea mai completă structură moleculară a sporopoleninei până în prezent.
În conversație, Li și-a folosit mâinile pentru a descrie forma complicată a structurii. Cu degetul mare și arătător, el a arătat cum moleculele aromatice atârnă de coloana vertebrală în forme alternante de L. El a demonstrat cum coloana vertebrală este legată de legăturile încrucișate, îndreptând o mână turtită în cealaltă într-un unghi, ca și cum ar fi implicat într-o formă ciudată de rugăciune. Aceste unități de bază se leagă între ele pentru a forma învelișul complet al exinei, care capătă forme radical diferite în diferite plante, deși subunitățile moleculare de bază sunt fundamental similare.
Structura a dat credință ideii că rezistența sporopoleninei provine din legăturile variate, împletite dintre coloana vertebrală. Aceste legături ester și eter sunt rezistente, respectiv, la condiții bazice și acide; împreună rezistă amândoi. Structura propusă de grupul lui Li a inclus și câteva molecule aromatice cunoscute a fi rezistente la lumina ultravioletă, ceea ce a explicat capacitatea sporopoleninei de a proteja ADN-ul de elemente.
„Fără aceste inovații metabolice, plantele nu ar fi fost capabile să migreze din apă pe pământ în primul rând”, a scris Weng într-un e-mail către Quanta.
Recent, Li și colegii săi și-au folosit metoda pentru a caracteriza sporopolenina din peste 100 de specii diverse de plante terestre colectate din grădinile botanice din nord-estul Statelor Unite. Potrivit lui Li, care se pregătește să trimită rezultatele studiului spre publicare, structura sporopoleninei variază în funcție de tipurile de plante într-un model curios.
Ei au descoperit că gimnospermele, grupul de plante terestre care include cicadele și conifere precum pinul de smoală, și așa-numitele plante terestre inferioare, cum ar fi mușchi și ferigi, tind să aibă sporopolenine lungi, similare. Acest lucru are sens, deoarece aceste plante își diseminează polenul vrând-nevrând pe vânt; au nevoie de sporopolenă cu lanț lung pentru a o proteja.
Dar în rândul angiospermelor, sau al plantelor cu flori, situația este mai complexă. Florile lor își umbră polenul de soare și uscare, iar insectele mută eficient polenul de la floare la floare, minimizând expunerea la alte riscuri. În consecință, angiospermele nu au nevoie de sporopolenina lor pentru a fi atât de uniform robustă.
Iar fabricarea sporopoleninei cu lanț lung este un proces care consumă multă energie, a spus Li, așa că „când florile au evoluat, nu au mai vrut să producă sporopolenă asemănătoare pinului”. Potrivit lui Li și Weng, diferențe semnificative par să fi evoluat între sporopoleninele produse de cele două mari categorii de angiosperme, monocotiledone și dicotiledone, care diferă în structurile embrionilor, vasculaturii, tulpinilor, rădăcinilor și florilor lor.
Desigur, distincțiile nu sunt absolute. Unele plante cu flori produc sporopolenină cu o structură asemănătoare pinului, a spus Li. „Poate că dacă am mai avea încă 6 milioane de ani, s-ar putea să-și piardă funcția acestora”, sau poate că există alte controale și echilibre ecologice în joc care păstrează structura sporopoleninei pentru anumite grupuri de plante.
„Evoluția nu este o linie”, a spus Li. „Ca balenele. La un moment dat au trăit pe pământ; acum trăiesc în ocean.” Cu toate acestea, balenele au încă unele caracteristici ale animalelor terestre. Poate că unii polenuri de flori păstrează urme învechite ale propriei lor istorii.
Polimerul misterios
Alți cercetători de plante sunt de acord că lucrările structurale ale lui Li și Weng asupra sporopoleninei ne-au îmbunătățit cunoștințele despre moleculă. Dar nu toți sunt convinși că propunerea lor este corectă sau că încheie căutarea de un secol pentru structura sporopoleninei.
„A fost mult mai clar decât înainte”, a spus Zhong-Nan Yang, un biolog care studiază sporopolenina la Universitatea Normală din Shanghai. „Dar trebuie verificat.” El a spus că Li și colegii săi încă trebuie să identifice genele responsabile pentru enzimele necesare pentru a produce anumite caracteristici ale sporopoleninei de pin.
A 2020 studiu care vizează „demistificarea și dezlegarea” structurii moleculare a sporopoleninei a reprezentat o provocare mai directă. Folosind o mulțime de metode și lucrând la sporopolenina din mușchi de club, mai degrabă decât pin, grupul lui Banoub de la Universitatea Memorial a ajuns la o structură care diferă în mai multe moduri importante de cea propusă de Li și Weng. Cel mai important, Banoub a spus: „Am demonstrat că nu există compuși aromatici în sporopolenină”. Diferența, crede el, ar putea fi explicată prin diferențele dintre sporopolenina din pin și mușchi.
„Părerea mea personală este că nu sunt corecte”, a spus Li, dar preferă să nu comenteze mai departe până când unele rezultate relevante din laboratorul său sunt gata pentru publicare.
„Este încă un polimer destul de misterios”, a comentat Teagen Quilichini, un biolog de plante la Consiliul Național de Cercetare din Canada, care a a studiat sporopolenina, într-un e-mail. "În ciuda a ceea ce sugerează unele rapoarte.”
Dur, dar încă comestibil?
În ciuda controverselor cu privire la structura lor pentru sporopolenină, Li și alții din laboratorul Weng au trecut la o altă întrebare evolutivă: și-a dat seama natura cum să descompună acest material aproape indestructibil pe care l-a pus împreună?
În timp ce se plimba în jurul iazului Walden în căutarea altor orificii acoperite cu polen, Li a comparat sporopolenina cu lignina, polimerul vegetal care întărește lemnul și scoarța. După ce plantele lemnoase au evoluat pentru prima dată în urmă cu aproximativ 360 de milioane de ani, înregistrările geologice arată o abundență de lignină fosilizată în straturi timp de zeci de milioane de ani. Apoi, brusc, acum aproximativ 300 de milioane de ani, lignina dispare. Dispariția sa marchează momentul în care o ciupercă numită putregai alb a dezvoltat enzime capabile să degradeze lignina și a mâncat o mare parte din ea înainte ca aceasta să se poată fosiliza.
Sporopolenina, a argumentat Li, trebuie să aibă și o ciupercă sau alt microb capabil să o descompună. Altfel ne-am îneca în chestii. Calculele din spatele plicului lui Li sunt că 100 de milioane de tone de sporopolenină sunt produse în păduri în fiecare an. Asta nici măcar nu ține cont de sporopolenina produsă de ierburi. Dacă nimic nu mănâncă, unde se duce totul?
Acesta este motivul pentru care, ca sursă pentru cea mai recentă probă de polen, Li a optat să renunțe la Amazon Prime în favoarea unei zile la Walden Pond. Observațiile echipei sale sugerează că unele microorganisme crescute în vase Petri pot supraviețui atunci când nu sunt hrănite decât cu sporopolenină și azot. Probele de la Walden, care sunt în mod natural pline de comunități microbiene de lac, ar trebui să ajute Li să determine dacă populațiile de ciuperci și alți microbi din sălbăticie pot debloca nutrienții din moleculele aparent indestructibile ale sporopoleninei.
Pe măsură ce gustam batoane cu alge și granola lângă marginea iazului, a fost ușor să vedem întreaga situație din perspectiva ciupercilor. Natura urăște să irosească o masă – chiar și una atât de greu de mestecat.
