Коли Фу-Шуан Лі, біохіміку та досліднику з Інституту Уайтхеда в Кембриджі, штат Массачусетс, йому знадобилося трохи пилку для його дослідження, він знав, куди звернутися. Щовесни смоляні сосни, що оточують Волден-Понд у Конкорді, випускають хмари золотого пилку, який покриває воду та збирається у галактичні вири біля берега. Генрі Девід Торо, який провів два роки біля ставка в 1840-х роках, завершує свою знамениту розповідь про цей досвід описом такої кількості пилку, що «можна було зібрати цілу бочку».
Присівши на краю ставка в чорному худі та спортивних штанях, Лі занурився в пробірку, набравши кілька сотень мілілітрів води, наповненої пилком і всім, що в ній росло. Це було далеко не повна бочка, але цього було більш ніж достатньо для зусиль Лі, щоб вивчити молекулярну структуру зовнішньої оболонки пилку. Матеріал, з якого складається оболонка, називається спорополленіном, такий міцний, що його іноді називають діамантом рослинного світу.
Понад століття вчені намагалися зрозуміти хімічну основу неперевершеної сили спорополеніну. Спорополленін захищає ДНК у пилку та спорах від світла, тепла, холоду та висихання. Без нього рослини не змогли б жити на землі. Але міцність спорополленіну ускладнила його вивчення навіть через десятиліття після того, як молекулярні структури целюлози, лігніну та інших основних рослинних полімерів були з’ясовані. «Природа розробила спорополленін, щоб протистояти будь-якій атаці», — сказав Лі. «У тому числі вченими».
Однак нещодавно захист спорополленіну, можливо, був подоланий. У 2018 році Лі та інші дослідники з Уайтхеда на чолі з біологом рослин Цзін-Ке Венопублікував першу повну структуру спорополленіну. Подальша робота команди, частина з якої ще не опублікована, заповнила більше деталей про те, як різні групи рослин налагодили цю структуру, щоб краще відповідати своїм потребам. Запропонована ними структура та покращений погляд на спорополленін, який вона пропонує, не позбавлені суперечок, але вони прояснили важливу роль молекули в допомозі рослинам завоювати землю.
Інертна загадка
Усі посівні рослини утворюють пилок; інші наземні рослини, такі як мох, утворюють спори. Несучи половину генетичної інформації, необхідної рослинам для розмноження, пилок і спори пересуваються крізь навколишнє середовище за допомогою вітру або тварини, яка допомагає, щоб досягти іншої рослини свого виду та запліднити її яйцеклітину. Але на цьому шляху пилок і спори повинні боротися з небезпеками, які варіюються від зневоднення до ультрафіолетових променів сонця до голодних комах. Оскільки рослини вперше були придбані на суші приблизно 470 мільйонів років тому, збереження генетичної інформації в пилку та спорах під час їхнього шляху до запліднення було життєво важливим.
Основна стратегія, яку використовують рослини для захисту цієї ДНК, полягає в тому, щоб помістити її в спеціальну оболонку зі спорополленіну, який є непроникним для елементів і є одним з найміцніших матеріалів, які виробляє будь-яка жива істота. Він був знайдений неушкодженим у скелях віком півмільярда років. А Папір 2016 виявили, що завдяки міцності спорополленіну спори зберігають свою стабільність в алмазних ковадлах при тиску 10 гігапаскалів, або 725 тонн на квадратний дюйм.
Дослідники знали і дивувалися про спорополленін принаймні з 1814 року. Вони помітили, що навіть після хімічного розчинення залишків пилкового зерна або спори завжди залишається дивна речовина. Протягом більшої частини наступного століття ті, хто вивчав його в спорах і пилку, працювали окремо, називаючи його виключно спороніном або пилком. Його назвали спорополленіном у 1931 році, щоб заспокоїти обидві спільноти.
Протягом десятиліть після цього знання про молекулу в основному закінчувалися назвою. Дослідники визнали, що спорополленін може бути ключовим для розуміння того, як рослини завоювали майже кожне середовище існування на Землі, і вони мріяли використовувати матеріал для всього, від покриття корпусів кораблів до захисту крихких білків у пероральних вакцинах. Але отримання структури та хімічного складу спорополленіну було необхідною умовою для будь-якої подальшої роботи, а спорополленін зводив нанівець усі зусилля.
Хіміки зазвичай визначають структуру складної молекули, розбиваючи її на складові частини, знаходячи їх структуру, а потім знову збираючи їх разом. Але спорополенін був надто інертним, щоб звичайні хімічні агенти могли його переварити. Починаючи з 1960-х років, нові біохімічні методи та мас-спектрометрія досягли певного прогресу в структурі та хімічному складі, а пізніше біологи навіть зробили висновок про деякі деталі на основі знань про гени та ферментативні процеси, які синтезують спорополленін.
Однак жоден із цих методів не міг дати повного уявлення про молекулу. Схоже, спорополленін мав два паралельних остова, які складаються з молекул, які називаються полікетидами, не на відміну від цукрів у подвійній спіралі ДНК. Здавалося, що ці кістяки з’єднані переплетенням зв’язків різних типів. Але цей начерк був неповним, і деякі результати біохімічних і генетичних методів суперечили одне одному.
«Єдине, з чим усі погодилися, це емпірична формула складу вуглецю, водню та кисню», — сказав Джозеф Бануб, професор хімії та біохімії в Меморіальному університеті Ньюфаундленду в Канаді.
Pitch Pine Perfect
Лі почав працювати над спорополеніном невдовзі після того, як у 2014 році приєднався до лабораторії Венга в Інституті Уайтхеда як постдок. У Кембриджському районі Кендалл-сквер, де біомедичні дослідження є основною одержимістю, лабораторія є одним із небагатьох місць, де люди вивчають рослини, з фокусом на дослідженні галактики ботанічних молекул, які залишаються неохарактеризованими.
Спорополленін був непереборним викликом для Лі. Його функція була добре відома, а гени для його створення були в кожній рослині, що виробляє насіння та спори, що означало, що спорополенін був основною адаптацією, яка дозволяла рослинам жити на суші на самому початку їхньої втечі з океанів. (Деякі види водоростей також виробляють речовину, подібну до спорополеніну, що свідчить про те, що наземні рослини адаптували біосинтез цієї молекули під час своєї еволюції.) Проте хімія, що стоїть за цією здатністю, залишається розмитою.
Було б поетично, якби в першій роботі Лі над спорополеніном використовувався пилок, зібраний із вод Уолденського ставка. Але зручність переважала романтику: пилок, який спочатку вивчала його команда, був замовлений на Amazon. (Пилок смоляної сосни, з якої у великій кількості виробляють цей матеріал, широко продається як оздоровча добавка.) Решта надходила з Кейп-Коду.
Протягом кількох місяців Лі та його колеги проводили випробування методом проб і помилок сполук, які можуть руйнувати інші міцні біополімери. Згодом вони розробили новий багатоетапний процес, за допомогою якого можна було брати зразки пилку, збивати їх у кульовому млині та хімічно руйнувати містяться молекули спорополеніну. Половина кожної молекули розпалася на шість окремих частин, які потім можна було охарактеризувати за допомогою мас-спектрометрії.
Інша половина молекули, яку вони назвали групою R (що означає «непокірна»), руйнувалася лише при змішуванні з іншим розчинником. Таким чином вони могли отримати часткове уявлення про R, але процес погіршив інші характеристики молекули, тому група Лі вдалася до більш екзотичної технології, спектроскопії ядерного магнітного резонансу твердого тіла, щоб охарактеризувати її.
Квіти зробили різницю
Плоди тієї праці, папір опубліковані в природа Рослини у грудні 2018 року запропонував найповнішу на сьогодні молекулярну структуру спорополленіну.
Під час розмови Лі руками описував складну форму споруди. Великим і вказівним пальцями він показав, як ароматичні молекули звисають з хребта в чергуванні L-форм. Він продемонстрував, як хребет зв’язаний поперечними зв’язками, вставивши одну сплющену руку в іншу під кутом, ніби беручи участь у якійсь дивній формі молитви. Ці базові одиниці з’єднуються разом, щоб утворити повну оболонку екзину, яка набуває радикально різних форм у різних рослин, хоча основні молекулярні субодиниці принципово схожі.
Структура додала довіри до ідеї, що стійкість спорополленіну виникає через різноманітні плетені зв’язки між кістками. Ці складноефірні та простоефірні зв’язки є стійкими, відповідно, до основних і кислотних умов; разом вони протистоять обом. Структура, запропонована групою Лі, також включала кілька ароматичних молекул, які, як відомо, були стійкими до ультрафіолетового світла, що пояснювало здатність спорополленіну захищати ДНК від елементів.
«Без цих метаболічних інновацій рослини взагалі не змогли б мігрувати з води на сушу», — написав Венг в електронному листі до Кванти.
Нещодавно Лі та його колеги використали свій метод для характеристики спорополеніну з понад 100 різноманітних видів наземних рослин, зібраних у ботанічних садах на північному сході Сполучених Штатів. За словами Лі, який готується представити результати дослідження для публікації, структура спорополленіну різниться в різних типах рослин за цікавою схемою.
Вони виявили, що голонасінні рослини, група наземних рослин, яка включає цикасові та хвойні, такі як смоляна сосна, і так звані нижчі наземні рослини, такі як мохи та папороті, як правило, мають довгі подібні спорополеніни. Це має сенс, тому що ці рослини мимоволі поширюють свій пилок вітром; їм потрібен довголанцюговий спорополленін, щоб захистити його.
Але серед покритонасінних, або квіткових рослин, ситуація складніша. Їхні квіти захищають пилок від сонця та висихання, а комахи ефективно переносять пилок від квітки до квітки, мінімізуючи вплив інших ризиків. Отже, покритонасінним рослинам не потрібен спорополенін, щоб бути настільки однорідним.
А виробництво спорополеніну з довгим ланцюгом є енергоємним процесом, сказав Лі, тому «коли квіти еволюціонували, вони більше не хотіли виробляти сосновий спорополленін». Згідно з Лі та Венгом, схоже, виникли значні відмінності між спорополенінами, що виробляються двома основними категоріями покритонасінних рослин, однодольних і дводольних, які відрізняються за структурою своїх ембріонів, судинної системи, стебла, коренів і квітів.
Звичайно, відмінності не є абсолютними. Деякі квіткові рослини справді виробляють спорополленін зі структурою, схожою на соснову, сказав Лі. «Можливо, якби у нас було ще 6 мільйонів років, вони могли б втратити ці функції», або, можливо, діють інші екологічні системи стримувань і противаг, які зберігають структуру спорополеніну для певних груп рослин.
«Еволюція — це не лінія», — сказав Лі. «Як кити. У якийсь момент вони жили на землі; тепер вони живуть в океані». Проте кити все ще мають деякі характеристики наземних тварин. Можливо, пилок деяких квітів зберігає застарілі сліди власної історії.
Таємничий полімер
Інші дослідники рослин погоджуються, що структурна робота Лі та Венга щодо спорополеніну покращила наші знання про молекулу. Але не всі з них переконані, що їхня пропозиція правильна або що вона завершує столітні пошуки структури спорополленіну.
«Це було набагато зрозумілішим, ніж раніше», — сказав Чжун-Нан Ян, біолог, який вивчає спорополленін у Шанхайському педагогічному університеті. «Але це потрібно перевірити». Він сказав, що Лі та його колеги ще повинні ідентифікувати гени, відповідальні за ферменти, необхідні для створення певних особливостей соснового спорополленіну.
A 2020 дослідження спрямований на «демистифікацію та розгадку» молекулярної структури спорополленіну, став більш прямим викликом. Використовуючи низку методів і працюючи над спорополеніном із плауни, а не сосни, група Бануба з Меморіального університету дійшла до структури, яка декількома важливими способами відрізнялася від запропонованої Лі та Венгом. Найголовніше, сказав Бануб: «Ми довели відсутність ароматичних сполук у спорополленіні». Розбіжність, на його думку, можна пояснити відмінностями між спорополленіном у сосни та плауни.
«Моя особиста точка зору полягає в тому, що вони невірні», — сказав Лі, але він вважає за краще не коментувати, доки не будуть готові до публікації відповідні результати його лабораторії.
«Це все ще досить загадковий полімер», — прокоментував Тіген Квілічіні, рослинний біолог з Національної дослідницької ради Канади, який вивчав спорополенін, в електронному листі. "Незважаючи на те, що пропонують деякі звіти».
Жорсткий, але все ще їстівний?
Незважаючи на суперечки щодо структури спорополеніну, Лі та інші співробітники лабораторії Венга перейшли до іншого еволюційного питання: чи придумала природа, як розібрати цей майже непорушний матеріал, який вона зібрала?
Прогулюючись навколо Волден-Понда в пошуках інших вкритих пилком отворів, Лі порівняв спорополленін із лігніном, рослинним полімером, який зміцнює деревину та кору. Після того, як деревні рослини вперше виникли приблизно 360 мільйонів років тому, геологічні літописи показують велику кількість скам’янілого лігніну в шарах протягом десятків мільйонів років. Потім раптом приблизно 300 мільйонів років тому лігнін зникає. Його зникнення знаменує момент, коли гриб під назвою біла гниль виділив ферменти, здатні розкладати лігнін, і з’їв його більшу частину, перш ніж він зміг скам’яніти.
Спорополленін, міркував Лі, також повинен мати грибок або інший мікроб, здатний його розщепити. Інакше ми б потонули в цьому. Підрахунки Лі свідчать про те, що щороку в лісах виробляється 100 мільйонів тонн спорополленіну. Це навіть не враховує спорополенін, який виробляють трави. Якщо нічого не їсть, куди все це йде?
Ось чому, будучи джерелом для свого останнього зразка пилку, Лі вирішив відмовитися від Amazon Prime на користь одного дня в Walden Pond. Спостереження його команди свідчать про те, що деякі мікроорганізми, вирощені в чашках Петрі, можуть виживати, якщо їх годувати лише спорополленіном і азотом. Зразки з Уолдена, які природно сповнені озерних мікробних спільнот, повинні допомогти Лі визначити, чи можуть популяції грибів та інших мікробів у дикій природі розблокувати поживні речовини в молекулах спорополленіну, які, здавалося б, нерозривні.
Коли ми перекушували водоростями та батончиками граноли біля краю ставка, нам було легко побачити всю ситуацію з точки зору грибів. Природа ненавидить марнувати їжу — навіть таку важку для жування.
