Kdaj Fu-Shuang Li, biokemik in raziskovalec na inštitutu Whitehead v Cambridgeu v Massachusettsu, je za svoje raziskave potreboval nekaj cvetnega prahu in vedel je, kam naj gre. Vsako pomlad drevesa smole, ki obkrožajo Walden Pond v Concordu, sprostijo oblake zlatega cvetnega prahu, ki prekrijejo vodo in se zberejo v galaktičnih vrtincih proti obali. Henry David Thoreau, ki je v štiridesetih letih 1840. stoletja dve leti živel ob ribniku, zaključi svojo znamenito pripoved o izkušnji z opisom toliko cvetnega prahu, da bi ga "lahko nabrali poln sod."
Čepeč ob robu ribnika v črnem jopici in trenirki, se je Li potopil v epruveto in iz nje potegnil nekaj sto mililitrov vode, polne cvetnega prahu in vsega, kar je v njej raslo. Še zdaleč ni bil sodček stvari, vendar je bilo več kot dovolj za Lijeva prizadevanja za preučevanje molekularne strukture zunanje ovojnice cvetnega prahu. Material, ki sestavlja lupino, imenovan sporopollenin, je tako trden, da so ga včasih imenovali diamant rastlinskega sveta.
Več kot stoletje so znanstveniki poskušali razumeti kemično osnovo neprimerljive moči sporopolenina. Sporopollenin ščiti DNK v cvetnem prahu in sporah pred svetlobo, vročino, mrazom in izsušitvijo. Brez njega rastline ne bi mogle živeti na kopnem. Toda zaradi žilavosti sporopolenina ga je bilo težko preučevati, celo desetletja po tem, ko so bile molekularne strukture celuloze, lignina in drugih osnovnih rastlinskih polimerov zmedene. "Narava je razvila sporopollenin, da se upre vsakemu napadu," je dejal Li. "Vključno s strani znanstvenikov."
Pred kratkim pa je bila obramba sporopolenina morda premagana. Leta 2018 so Li in drugi raziskovalci na Whiteheadu pod vodstvom rastlinskega biologa Jing-Ke Weng, objavil prvo popolno strukturo sporopolenina. Naknadno delo ekipe, od katerega nekaj še ni bilo objavljeno, je izpolnilo več podrobnosti o tem, kako so različne skupine rastlin natančno prilagodile to strukturo, da bi bolje ustrezale njihovim potrebam. Njihova predlagana struktura in izboljšan pogled na sporopollenin, ki ga ponuja, ni brez polemik, vendar je razjasnil bistveno vlogo molekule pri pomoči rastlinam pri osvajanju zemlje.
Inertna enigma
Vse sejalnice tvorijo cvetni prah; druge kopenske rastline, kot je mah, proizvajajo spore. Cvetni prah in trosi, ki nosijo polovico genetskih informacij, ki jih rastline potrebujejo za razmnoževanje, se premikajo po okolju z vetrom ali koristno živaljo, da dosežejo drugo rastlino svoje vrste in oplodijo njeno jajčno celico. Toda na tej poti se morajo cvetni prah in spore boriti z nevarnostmi, ki segajo od dehidracije do sončnih ultravijoličnih žarkov do lačnih žuželk. Odkar so rastline prvič našli na kopnem pred približno 470 milijoni let, je bilo varovanje genetskih informacij v cvetnem prahu in sporah med njihovo potjo do oploditve ključnega pomena.
Glavna strategija, ki jo rastline uporabljajo za zaščito te DNK, je, da jo objamejo v specializirano lupino sporopolenina, ki je neprepusten za elemente in je med najtrdnejšimi materiali, ki jih proizvede katero koli živo bitje. Našli so ga nedotaknjenega v pol milijarde let starih kamninah. A Papir 2016 ugotovili, da so zaradi robustnosti sporopolenina spore ohranile svojo stabilnost v diamantnih nakovalih pri tlaku 10 gigapaskalov ali 725 ton na kvadratni palec.
Raziskovalci poznajo sporopollenin in se o njem sprašujejo že vsaj od leta 1814. Opazili so, da tudi po tem, ko se preostanek cvetnega prahu ali spore kemično raztopi, vedno ostane nenavadna snov. Večino naslednjega stoletja so tisti, ki so ga preučevali v sporah in cvetnem prahu, delali ločeno in so ga označevali izključno kot sporonin ali polenin. Leta 1931 so ga poimenovali sporopollenin, da bi pomirili obe skupnosti.
Desetletja zatem se je znanje o molekuli večinoma končalo z imenom. Raziskovalci so ugotovili, da bi sporopollenin lahko bil ključnega pomena za razumevanje, kako so rastline osvojile skoraj vsak habitat na Zemlji, in sanjali so, da bi material uporabili za vse, od premazovanja trupov ladij do zaščite krhkih beljakovin v peroralnih cepivih. Toda pridobivanje strukture in kemične sestave sporopolenina je bilo predpogoj za vsako nadaljnje delo in sporopollenin je onemogočil vsak trud.
Kemiki običajno določijo strukturo kompleksne molekule tako, da jo razdelijo na njene sestavne dele, najdejo strukturo teh in jih nato sestavijo nazaj. Toda sporopollenin je bil preveč inerten, da bi ga običajna kemična sredstva prebavila. Od leta 1960 so nove biokemične metode in masna spektrometrija nekoliko napredovale pri strukturi in kemični sestavi, biologi pa so pozneje celo sklepali na nekatere podrobnosti iz poznavanja genov in encimskih procesov, ki sintetizirajo sporopollenin.
Nobena od teh metod pa ni mogla podati popolne slike molekule. Zdelo se je, da ima sporopollenin dve vzporedni hrbtenici, sestavljeni iz molekul, imenovanih poliketidi, podobno kot hrbtenice sladkorja v dvojni vijačnici DNK. Videti je bilo, da so te hrbtenice povezane s spletom povezav različnih vrst. Toda ta skica je bila nepopolna in nekatere ugotovitve biokemičnih in genetskih metod so bile v nasprotju med seboj.
"Edina stvar, s katero so se vsi strinjali, je bila empirična formula za sestavo ogljika, vodika in kisika," je dejal Joseph Banoub, profesor kemije in biokemije na Memorial University of Newfoundland v Kanadi.
Pitch Pine Perfect
Li se je začel ukvarjati s sporopoleninom kmalu po tem, ko se je leta 2014 pridružil Wengovemu laboratoriju na Inštitutu Whitehead kot podoktor. V soseski Kendall Square v Cambridgeu, kjer so biomedicinske raziskave primarna obsedenost, je laboratorij eno redkih krajev, kjer ljudje preučujejo rastline, z raziskovalnim poudarkom na galaksiji botaničnih molekul, ki ostajajo neznane.
Sporopollenin je bil za Lija neustavljiv izziv. Njegovo delovanje je bilo dobro znano in geni za njegovo izdelavo so bili v vsaki rastlini, ki proizvaja seme in spore, kar je pomenilo, da je sporopollenin osnovna prilagoditev, ki rastlinam omogoča življenje na kopnem na samem začetku njihovega pobega iz oceanov. (Nekatere vrste alg izdelujejo tudi sporopoleninu podobno snov, kar nakazuje, da so kopenske rastline prilagodile biosintezo te molekule med svojo evolucijo.) Vendar je kemija za to sposobnostjo ostala zamegljena.
Bilo bi poetično, če bi Lijevo zgodnje delo o sporopoleninu uporabilo cvetni prah, zbran iz voda Walden Ponda. Toda udobje je premagalo romantiko: cvetni prah, ki ga je njegova ekipa sprva preučevala, je bil naročen pri Amazonu. (Cvetni prah smolnega bora, ki obilno proizvaja to snov, se pogosto prodaja kot dodatek k zdravju.) Preostanek je prišel iz Cape Coda.
Li in njegovi sodelavci so več mesecev izvajali testiranje s poskusi in napakami na spojinah, ki lahko razgradijo druge trdne biopolimere. Sčasoma so razvili nov večstopenjski postopek, s katerim so lahko vzeli vzorce cvetnega prahu, jih udarili v krogličnem mlinčku in kemično zlomili vsebovane molekule sporopolenina. Polovica vsake molekule je razpadla na šest različnih kosov, ki jih je nato mogoče označiti z masno spektrometrijo.
Druga polovica molekule, ki so jo poimenovali skupina R (za "preračunljiv"), se je razgradila šele, ko je bila mešana z drugim topilom. Na ta način bi lahko dobili delni pogled na R, vendar je postopek poslabšal druge lastnosti molekule, zato se je Lijeva skupina zatekla k bolj eksotični tehnologiji, spektroskopiji jedrske magnetne resonance v trdnem stanju, da jo označi.
Rože so naredile razliko
Sad tega dela, papir objavljeno v Naravne rastline decembra 2018 predlagal najpopolnejšo molekularno strukturo sporopolenina doslej.
V pogovoru je Li z rokami opisal zapleteno obliko strukture. S palcem in kazalcem je pokazal, kako aromatične molekule visijo s hrbtenice v izmeničnih L-oblikah. Pokazal je, kako je hrbtenica povezana z navzkrižnimi povezavami, tako da je eno sploščeno roko pod kotom usmeril v drugo, kot da bi sodeloval v neki čudni obliki molitve. Te osnovne enote se med seboj povezujejo in tvorijo popolno eksinsko lupino, ki v različnih rastlinah zavzame radikalno različne oblike, čeprav so osnovne molekularne podenote v osnovi podobne.
Struktura je potrdila idejo, da trdnost sporopolenina izhaja iz raznolikih, pletenih povezav med hrbtenicami. Te estrske in etrske povezave so odporne na bazične oziroma kisle pogoje; skupaj se upreta obema. Struktura, ki jo je predlagala Lijeva skupina, je vključevala tudi več aromatičnih molekul, za katere je znano, da so odporne na ultravijolično svetlobo, kar je predstavljalo sposobnost sporopolenina, da ščiti DNK pred elementi.
"Brez teh presnovnih inovacij se rastline sploh ne bi mogle preseliti iz vode na kopno," je Weng zapisal v elektronskem sporočilu Quanta.
Pred kratkim so Li in njegovi kolegi uporabili svojo metodo za karakterizacijo sporopolenina iz več kot 100 različnih vrst kopenskih rastlin, zbranih iz botaničnih vrtov okoli severovzhodnih Združenih držav. Po mnenju Lija, ki se pripravlja na predložitev rezultatov študije za objavo, se struktura sporopolenina razlikuje med vrstami rastlin v nenavadnem vzorcu.
Ugotovili so, da imajo golosemenke, skupina kopenskih rastlin, ki vključuje cikade in iglavce, kot je smolski bor, ter tako imenovane nižje kopenske rastline, kot so mahovi in praproti, dolge, podobne sporopolenine. To je smiselno, ker te rastline svoj cvetni prah hočeš nočeš širijo po vetru; za zaščito potrebujejo dolgoverižni sporopollenin.
Toda med kritosemenkami ali cvetočimi rastlinami je položaj bolj zapleten. Njihovi cvetovi zasenčijo svoj cvetni prah pred soncem in izsušitvijo, žuželke pa učinkovito prenašajo cvetni prah s cveta na cvet in tako zmanjšajo izpostavljenost drugim tveganjem. Posledično kritosemenke ne potrebujejo svojega sporopolenina, da bi bil tako enakomerno robusten.
Izdelava dolgoverižnega sporopolenina je energetsko intenziven proces, je dejal Li, zato "ko so se rože razvile, niso več želele proizvajati borovega sporopolenina." Po mnenju Lija in Wenga se zdi, da so se med sporopolenini, ki jih proizvajata dve glavni kategoriji kritosemenk, enokaličnic in dvokaličnic, razvile pomembne razlike, ki se razlikujejo v strukturah svojih zarodkov, vaskulature, stebel, korenin in cvetov.
Seveda pa razlike niso absolutne. Nekatere cvetoče rastline proizvajajo sporopollenin s strukturo, podobno boru, je dejal Li. "Če bi imeli še 6 milijonov let, bi morda izgubili svojo funkcijo," ali pa so v igri druga ekološka preverjanja in ravnovesja, ki ohranjajo to sporopoleninsko strukturo za določene skupine rastlin.
"Evolucija ni črta," je dejal Li. »Kot kiti. Nekoč so živeli na kopnem; zdaj živijo v oceanu.« Kljub temu imajo kiti še vedno nekatere značilnosti kopenskih živali. Morda nekateri cvetni prah ohranjajo zastarele sledi lastne zgodovine.
Skrivnostni polimer
Drugi raziskovalci rastlin se strinjajo, da je Li in Wengovo strukturno delo na sporopoleninu izboljšalo naše znanje o molekuli. A vsi niso prepričani, da je njihov predlog pravilen oziroma da zaključuje stoletno iskanje zgradbe sporopolenina.
"Bilo je veliko bolj jasno kot prej," je rekel Zhong-Nan Yang, biolog, ki proučuje sporopollenin na šanghajski normalni univerzi. "Toda to je treba preveriti." Rekel je, da morajo Li in njegovi kolegi še vedno identificirati gene, ki so odgovorni za encime, potrebne za izdelavo določenih lastnosti borovega sporopolenina.
A 2020 študija namenjeno "demistificiranju in razkritju" molekularne strukture sporopolenina je predstavljalo bolj neposreden izziv. Banoubova skupina na Univerzi Memorial je z uporabo množice metod in dela na sporopoleninu iz paličastega mahu namesto iz bora prišla do strukture, ki se je na več pomembnih načinov razlikovala od tiste, ki sta jo predlagala Li in Weng. Najpomembneje je, da je Banoub dejal: "Dokazali smo, da v sporopoleninu ni nobenih aromatičnih spojin." Nesorazmerje, meni, bi lahko razložili z razlikami med sporopoleninom v borovem in paličastem mahu.
"Moje osebno mnenje je, da niso pravilni," je dejal Li, vendar raje ne komentira več, dokler nekateri ustrezni rezultati iz njegovega laboratorija niso pripravljeni za objavo.
"Še vedno je precej skrivnosten polimer," je komentiral Teagen Quilichini, rastlinski biolog pri Kanadskem nacionalnem raziskovalnem svetu, ki je študiral sporopollenin, v e-poštnem sporočilu. "Kljub temu, kar kažejo nekatera poročila.«
Trdo, a še vedno užitno?
Ne glede na polemike glede strukture sporopolenina so se Li in drugi v Wengovem laboratoriju posvetili drugemu evolucijskemu vprašanju: ali je narava ugotovila, kako razstaviti ta skoraj neuničljiv material, ki ga je sestavila?
Ko je hodil okoli Walden Ponda v iskanju drugih s cvetnim prahom obloženih zalivov, je Li primerjal sporopollenin z ligninom, rastlinskim polimerom, ki krepi les in lubje. Potem ko so se lesnate rastline prvič razvile pred približno 360 milijoni let, geološki zapisi kažejo obilico fosiliziranega lignina v plasteh več deset milijonov let. Nato nenadoma pred približno 300 milijoni let lignin izgine. Njegovo izginotje označuje trenutek, ko je gliva, imenovana bela gniloba, razvila encime, ki so sposobni razgraditi lignin, in ga pojedla veliko, preden se je lahko fosiliziral.
Sporopollenin, je menil Li, mora imeti tudi glivo ali drug mikrob, ki ga lahko razgradi. Sicer bi se utopili v teh stvareh. Li-jevi zadnji izračuni kažejo, da se v gozdovih vsako leto proizvede 100 milijonov ton sporopolenina. To niti ne upošteva sporopolenina, ki ga proizvajajo trave. Če ga nič ne poje, kam vse gre?
Zato se je Li kot vir za svoj najnovejši vzorec cvetnega prahu odločil opustiti Amazon Prime in raje preživeti dan v Walden Pond. Opazovanja njegove ekipe kažejo, da lahko nekateri mikroorganizmi, gojeni v petrijevkah, preživijo, če jih hranijo le s sporopoleninom in dušikom. Vzorci iz Waldena, ki so naravno polni jezerskih mikrobnih skupnosti, bi morali Liju pomagati ugotoviti, ali lahko populacije gliv in drugih mikrobov v divjini odklenejo hranila v sporopoleninovih na videz nezlomljivih molekulah.
Ko smo ob robu ribnika prigriznili morske alge in ploščice granole, je bilo enostavno videti celotno situacijo z vidika gliv. Narava sovraži zapravljati obrok – tudi če je tako težko žvečiti.
