После появления Фу-Шуан Ли, биохимик и научный сотрудник Института Уайтхеда в Кембридже, штат Массачусетс, нуждался в пыльце для своих исследований, он знал, куда идти. Каждую весну смолистые сосны, окружающие пруд Уолден в Конкорде, выпускают облака золотой пыльцы, которые покрывают воду и собираются галактическими водоворотами на берегу. Генри Дэвид Торо, проживший два года у пруда в 1840-х годах, завершает свой знаменитый рассказ об этом опыте, описывая такое количество пыльцы, что «можно было собрать целую бочку».
Присев на краю пруда в черной толстовке с капюшоном и спортивных штанах, Ли погрузила пробирку в несколько сотен миллилитров воды, наполненную пыльцой и чем-то еще, что в ней росло. Это была далеко не бочка вещества, но этого было более чем достаточно для усилий Ли по изучению молекулярной структуры внешней оболочки пыльцы. Материал, из которого состоит оболочка, называется спорополленином и настолько прочен, что его иногда называют алмазом растительного мира.
Более века ученые пытались понять химическую основу непревзойденной силы спорополленина. Спорополленин защищает ДНК пыльцы и спор от света, тепла, холода и высыхания. Без него растения не смогли бы жить на суше. Но устойчивость спорополленина затрудняла его изучение даже спустя десятилетия после того, как молекулярные структуры целлюлозы, лигнина и других основных растительных полимеров были разгаданы. «Природа разработала спорополленин, чтобы противостоять любой атаке», — сказал Ли. «В том числе учеными».
Однако в последнее время защита спорополленина, возможно, была преодолена. В 2018 году Ли и другие исследователи из Уайтхеда под руководством биолога растений Цзин-Ке Венгопубликовал первую полную структуру спорополленина. Последующая работа команды, некоторые из которых еще не опубликованы, позволила получить более подробную информацию о том, как различные группы растений настраивали эту структуру, чтобы лучше удовлетворять свои потребности. Предложенная ими структура и улучшенный взгляд на спорополленин, который она предлагает, не лишены противоречий, но они прояснили важную роль молекулы, помогающей растениям завоевывать землю.
Инертная загадка
Все семенные растения производят пыльцу; другие наземные растения, такие как мох, производят споры. Неся половину генетической информации, необходимой растениям для размножения, пыльца и споры перемещаются по окружающей среде на ветру или на полезном животном, чтобы достичь другого растения своего вида и оплодотворить его яйцеклетку. Но по пути пыльца и споры должны бороться с опасностями, которые варьируются от обезвоживания до ультрафиолетовых лучей солнца и голодных насекомых. С тех пор, как растения впервые появились на земле около 470 миллионов лет назад, сохранение генетической информации в пыльце и спорах во время их пути к оплодотворению было жизненно важным.
Основная стратегия, которую используют растения для защиты этой ДНК, заключается в том, чтобы заключить ее в специальную оболочку из спорополленина, непроницаемого для элементов и являющегося одним из самых прочных материалов, производимых любым живым существом. Он был найден неповрежденным в скалах возрастом полмиллиарда лет. А 2016 бумага обнаружили, что из-за стойкости спорополленина споры сохраняли свою стабильность в алмазных наковальнях при давлении 10 гигапаскалей, или 725 тонн на квадратный дюйм.
Исследователи знали и интересовались спорополленином по крайней мере с 1814 года. Они заметили, что даже после химического растворения остатков пыльцевого зерна или спор всегда оставалось странное вещество. На протяжении большей части следующего столетия те, кто изучал его в спорах и пыльце, работали отдельно, называя его исключительно споронином или пыльцей. В 1931 году его назвали спорополленином, чтобы успокоить обе общины.
В течение десятилетий после этого знания о молекуле в основном ограничивались ее названием. Исследователи поняли, что спорополленин может быть ключом к пониманию того, как растения завоевали почти все места обитания на Земле, и они мечтали использовать этот материал для всего: от покрытия корпусов кораблей до защиты хрупких белков в оральных вакцинах. Но получение структуры и химического состава спорополленина было обязательным условием для любой дальнейшей работы, а спорополленин срывал все усилия.
Химики обычно определяют структуру сложной молекулы, разбивая ее на составные части, находя их структуру, а затем собирая их вместе. Но спорополленин был слишком инертен, чтобы его могли переварить обычные химические агенты. Начиная с 1960-х годов новые биохимические методы и масс-спектрометрия добились определенного прогресса в изучении структуры и химического состава, а позже биологи даже вывели некоторые детали из знаний о генах и ферментативных процессах, которые синтезируют спорополленин.
Однако ни один из этих методов не мог дать полной картины молекулы. Спорополленин, по-видимому, имеет два параллельных остова, состоящих из молекул, называемых поликетидами, мало чем отличающихся от сахарных остовов двойной спирали ДНК. Эти костяки, по-видимому, были связаны переплетением связей разного типа. Но этот набросок был неполным, и некоторые результаты биохимических и генетических методов противоречили друг другу.
«Единственное, с чем все согласились, — это эмпирическая формула состава углерода, водорода, кислорода», — сказал Джозеф Бануб, профессор химии и биохимии Мемориального университета Ньюфаундленда в Канаде.
Идеальная сосна
Ли начал работать над спорополленином вскоре после того, как присоединился к лаборатории Венга в Институте Уайтхеда в качестве постдока в 2014 году. В Кембриджском районе Кендалл-сквер, где биомедицинские исследования являются основной одержимостью, лаборатория является одним из немногих мест, где люди изучают растения. с исследовательским акцентом на галактике ботанических молекул, которые остаются не охарактеризованными.
Спорополленин был непреодолимым вызовом для Ли. Его функция была хорошо известна, а гены, отвечающие за его выработку, были у каждого растения, производящего семена и споры, что означало, что спорополленин был основной адаптацией, позволяющей растениям жить на суше в самом начале их ухода из океанов. (Некоторые виды водорослей также производят вещество, подобное спорополленину, что позволяет предположить, что наземные растения адаптировали биосинтез этой молекулы в ходе своей эволюции.) Однако химия, стоящая за этой способностью, оставалась размытой.
Было бы поэтично, если бы в ранней работе Ли по спорополленину использовалась пыльца, собранная в водах Уолденского пруда. Но удобство превзошло романтику: пыльца, которую первоначально изучала его команда, была заказана на Amazon. (Пыльца смоляной сосны, которая в изобилии производит этот материал, широко продается в качестве пищевой добавки.) Остальное поступило из Кейп-Кода.
В течение нескольких месяцев Ли и его сотрудники методом проб и ошибок тестировали соединения, которые могут разлагать другие прочные биополимеры. В конце концов, они разработали новый многоэтапный процесс, который позволял брать образцы пыльцы, измельчать их в шаровой мельнице и химически разрушать содержащиеся в них молекулы спорополленина. Половина каждой молекулы распалась на шесть отдельных частей, которые затем можно было охарактеризовать с помощью масс-спектрометрии.
Другая половина молекулы, которую они назвали группой R (от «непокорная»), разрушалась только при смешивании с другим растворяющим агентом. Таким образом они могли получить частичное представление о R, но этот процесс ухудшил другие характеристики молекулы, поэтому группа Ли прибегла к более экзотической технологии, твердотельной ядерно-магнитной резонансной спектроскопии, чтобы охарактеризовать ее.
Цветы изменили ситуацию
Плод этой работы, бумага опубликованной в Природа Растения в декабре 2018 г. предложил наиболее полную на сегодняшний день молекулярную структуру спорополленина.
В разговоре Ли руками описал замысловатую форму сооружения. Большим и указательным пальцами он показал, как ароматические молекулы свисают с остова в чередующихся L-образных формах. Он продемонстрировал, как позвоночник связан поперечными связями, указывая одной рукой на другую под углом, как будто участвуя в какой-то странной форме молитвы. Эти основные единицы соединяются друг с другом, образуя полную экзинную оболочку, которая принимает совершенно разные формы у разных растений, хотя основные молекулярные субъединицы фундаментально схожи.
Структура подтвердила идею о том, что устойчивость спорополленина возникает из-за разнообразных плетеных связей между позвоночником. Эти сложноэфирные и эфирные связи устойчивы соответственно к основным и кислотным условиям; вместе они сопротивляются обоим. Структура, предложенная группой Ли, также включала несколько ароматических молекул, которые, как известно, устойчивы к ультрафиолетовому излучению, что объясняет способность спорополленина защищать ДНК от элементов.
«Без этих метаболических инноваций растения вообще не смогли бы мигрировать из воды на сушу», — написал Венг в электронном письме. Кванты.
Недавно Ли и его коллеги использовали свой метод для характеристики спорополленина из более чем 100 различных видов наземных растений, собранных в ботанических садах на северо-востоке США. По словам Ли, который готовится представить результаты исследования для публикации, структура спорополленина варьируется в зависимости от типа растений по любопытной схеме.
Они обнаружили, что голосеменные растения, группа наземных растений, в которую входят саговники и хвойные деревья, такие как сосна, и так называемые низкоземные растения, такие как мхи и папоротники, как правило, имеют длинные, похожие спорополленины. Это имеет смысл, потому что эти растения волей-неволей распространяют свою пыльцу по ветру; им нужен длинноцепочечный спорополленин, чтобы защитить его.
А вот среди покрытосеменных, или цветковых растений, дело обстоит сложнее. Их цветы защищают пыльцу от солнца и высыхания, а насекомые эффективно перемещают пыльцу с цветка на цветок, сводя к минимуму воздействие других рисков. Следовательно, покрытосеменным растениям не нужен их спорополленин, чтобы быть настолько однородно крепким.
По словам Ли, производство длинноцепочечного спорополленина — это энергоемкий процесс, поэтому «когда цветы эволюционировали, они больше не хотели производить спорополленин, подобный сосне». Согласно Ли и Венгу, между спорополленинами, продуцируемыми двумя основными категориями покрытосеменных, однодольными и двудольными, которые различаются по структуре их зародышей, сосудистой сети, стеблей, корней и цветков, по-видимому, возникли значительные различия.
Конечно, различия не абсолютны. По словам Ли, некоторые цветковые растения производят спорополленин со структурой, похожей на сосну. «Возможно, если бы у нас было еще 6 миллионов лет, они могли бы утратить свою функцию», или, возможно, существуют другие экологические системы сдержек и противовесов, сохраняющие эту структуру спорополленина для определенных групп растений.
«Эволюция — это не линия, — сказал Ли. «Как киты. Когда-то они жили на суше; теперь они живут в океане». Тем не менее, у китов все еще есть некоторые характеристики наземных животных. Возможно, некоторые цветочные пыльцы сохраняют устаревшие следы собственной истории.
Таинственный полимер
Другие исследователи растений согласны с тем, что структурная работа Ли и Венга над спорополленином улучшила наши знания о молекуле. Но не все из них убеждены, что их предложение правильное или что оно завершает многовековой поиск структуры спорополленина.
«Это было намного яснее, чем раньше», — сказал Чжун-Нан Ян, биолог, изучающий спорополленин в Шанхайском педагогическом университете. — Но это нужно проверить. Он сказал, что Ли и его коллеги все еще должны идентифицировать гены, ответственные за ферменты, необходимые для создания определенных свойств спорополленина сосны.
A исследование, проведенное в 2020 г. направленный на «демистификацию и разгадку» молекулярной структуры спорополленина, представлял собой более непосредственную задачу. Используя множество методов и работая над спорополленином из плауна, а не из сосны, группа Бануба из Мемориального университета пришла к структуре, которая по нескольким важным параметрам отличалась от предложенной Ли и Венгом. Самое главное, сказал Бануб: «Мы доказали, что в спорополленине нет ароматических соединений». Несоответствие, по его мнению, может быть объяснено различиями между спорополленином в сосновом и плауне.
«Мое личное мнение — они неверны», — сказал Ли, но предпочитает не комментировать дальше, пока некоторые соответствующие результаты его лаборатории не будут готовы к публикации.
«Это все еще довольно загадочный полимер», — прокомментировал Тиген Киличини, биолог растений из Национального исследовательского совета Канады, который изучал спорополленин, в электронном письме, "Несмотря на то, что предполагают некоторые отчеты».
Жесткий, но все же съедобный?
Несмотря на разногласия по поводу их структуры спорополленина, Ли и другие сотрудники лаборатории Венга перешли к другому эволюционному вопросу: придумала ли природа, как разобрать этот почти неразрушимый материал, который она собрала вместе?
Обходя пруд Уолден в поисках других покрытых пыльцой бухт, Ли сравнил спорополленин с лигнином, растительным полимером, укрепляющим древесину и кору. После того, как около 360 миллионов лет назад впервые появились древесные растения, геологические данные свидетельствуют об изобилии окаменевшего лигнина в пластах на протяжении десятков миллионов лет. Затем внезапно около 300 миллионов лет назад лигнин исчезает. Его исчезновение знаменует момент, когда грибок под названием белая гниль выработал ферменты, способные разлагать лигнин, и съел большую его часть, прежде чем он смог окаменеть.
Спорополленин, рассуждал Ли, также должен иметь грибок или другой микроб, способный его разрушить. В противном случае мы бы утонули в вещах. Предварительные подсчеты Ли заключаются в том, что ежегодно в лесах производится 100 миллионов тонн спорополленина. Это даже не учитывает спорополленин, вырабатываемый травами. Если ничего не ест, то куда все это девается?
Вот почему в качестве источника своего последнего образца пыльцы Ли решил отказаться от Amazon Prime в пользу дня на Уолденском пруду. Наблюдения его команды показывают, что некоторые микроорганизмы, выращенные в чашках Петри, могут выжить, если их не кормить ничем, кроме спорополленина и азота. Образцы из Уолдена, которые, естественно, полны озерных микробных сообществ, должны помочь Ли определить, могут ли популяции грибов и других микробов в дикой природе разблокировать питательные вещества в, казалось бы, нерушимых молекулах спорополленина.
Когда мы перекусывали водорослями и мюсли на берегу пруда, было легко увидеть всю ситуацию с точки зрения грибов. Природа ненавидит тратить еду впустую, даже если ее трудно жевать.
