Amikor Fu-Shuang Li, a Massachusetts állambeli Cambridge-i Whitehead Intézet biokémikusának és kutatójának szüksége volt némi virágporra a kutatásaihoz, és pontosan tudta, hová kell mennie. Minden tavasszal a Concord-i Walden Pondban gyűrűző szurokfenyőfák arany virágporfelhőket bocsátanak ki, amelyek bevonják a vizet, és galaktikus örvényekké gyűlnek össze a part mentén. Henry David Thoreau, aki az 1840-es években két évet töltött a tó mellett, az élményről szóló híres beszámolóját azzal zárja, hogy annyi virágport ír le: „összegyűjthettél volna egy hordót is”.
Li a tó szélén kuporgott fekete kapucnis pulcsiban és melegítőnadrágban, és belemártott egy kémcsőbe, és kiszívott néhány száz milliliter vizet, tele virágporral és bármi mással, ami nőtt benne. Ez messze nem volt egy hordónyi anyag, de több mint elég volt Li erőfeszítéseihez, hogy tanulmányozza a pollen külső héjának molekuláris szerkezetét. A sporopolleninnek nevezett anyag, amely a héjat alkotja, annyira kemény, hogy néha a növényvilág gyémántjának is nevezik.
A tudósok több mint egy évszázada próbálták megérteni a sporopollenin páratlan erejének kémiai alapját. A sporopollenin megvédi a pollenben és spórákban található DNS-t a fénytől, a hőtől, a hidegtől és a kiszáradástól. Enélkül a növények képtelenek lennének a szárazföldön élni. A sporopollenin szívóssága azonban megnehezítette annak tanulmányozását, még évtizedekkel azután is, hogy a cellulóz, a lignin és más alapvető növényi polimerek molekuláris szerkezetét megzavarták. „A természet úgy fejlesztette ki a sporopollenint, hogy ellenálljon minden támadásnak” – mondta Li. – Beleértve a tudósokat is.
A közelmúltban azonban a sporopollenin védekezését sikerült legyőzni. 2018-ban Li és a Whitehead más kutatói, a növénybiológus vezetésével Jing-Ke Weng, publikálta a sporopollenin első teljes szerkezetét. A csapat későbbi munkája, amelyek egy részét még nem tették közzé, további részletekkel szolgált arról, hogy a különböző növénycsoportok hogyan finomították ezt a szerkezetet, hogy jobban megfeleljenek igényeiknek. Javasolt szerkezetük és a sporopollenin által kínált jobb nézet nem vitathatatlan, de egyértelművé tette a molekula alapvető szerepét abban, hogy segítse a növényeket a föld meghódításában.
Az inert Enigma
Minden vetőnövény virágport termel; más szárazföldi növények, például a moha spórákat termelnek. A növényeknek a szaporodáshoz szükséges genetikai információ felét hordozva a pollen és a spórák a szélen vagy egy segítőkész állaton áthaladnak a környezetben, hogy elérjék fajuk másik növényét és megtermékenyítsék annak petesejtjét. Az út során azonban a pollennek és a spóráknak olyan veszélyekkel kell megküzdeniük, amelyek a kiszáradástól a nap ultraibolya sugárzásán át az éhes rovarokig terjednek. Amióta a növényeket körülbelül 470 millió évvel ezelőtt először vásárolták meg a földön, létfontosságú volt a pollenben és a spórákban lévő genetikai információ biztonságban tartása a megtermékenyítésig vezető út során.
A növények fő stratégiája ennek a DNS-nek a védelmére az, hogy egy speciális sporopollenin héjba zárják azt, amely áthatolhatatlan az elemek számára, és az élőlények által termelt legkeményebb anyagok közé tartozik. Félmilliárd éves kőzetekben épségben találták meg. A 2016 papír azt találták, hogy a sporopollenin robusztussága miatt a spórák megőrizték stabilitásukat gyémánt üllőkben 10 gigapascal, azaz 725 tonna/négyzethüvelyk nyomás mellett.
A kutatók legalább 1814 óta ismerik és csodálkoznak a sporopolleninről. Megfigyelték, hogy még azután is, hogy a pollenszem vagy a spóra többi részét kémiailag feloldották, mindig megmaradt egy furcsa anyag. A következő évszázad nagy részében a spórákban és a pollenben tanulmányozók külön dolgoztak, és kizárólag sporoninnak vagy polleninnek nevezték. 1931-ben sporopolleninnek nevezték el, hogy mindkét közösséget megnyugtassa.
Ezt követően évtizedekig a molekulával kapcsolatos ismeretek nagyrészt a névvel végződtek. A kutatók felismerték, hogy a sporopollenin kulcsfontosságú lehet annak megértésében, hogyan hódították meg a növények szinte minden élőhelyét a Földön, és arról álmodoztak, hogy az anyagot mindenre felhasználják, a hajók testének bevonásától kezdve a törékeny fehérjék védelméig orális vakcinákban. De a sporopollenin szerkezetének és kémiai összetételének megismerése minden további munka előfeltétele volt, és a sporopollenin minden erőfeszítést meghiúsított.
A kémikusok általában úgy határozzák meg egy komplex molekula szerkezetét, hogy alkotórészekre bontják, megkeresik azok szerkezetét, majd összerakják őket. A sporopollenin azonban túl inert volt ahhoz, hogy a szokásos vegyi anyagok megemészthessék. Az 1960-as évektől kezdődően az új biokémiai módszerek és a tömegspektrometria némi előrelépést tettek a szerkezet és a kémiai összetétel terén, és a biológusok később még a sporopollenint szintetizáló gének és enzimatikus folyamatok ismeretéből is következtettek bizonyos részleteket.
E módszerek egyike sem tudott teljes képet adni a molekuláról. Úgy tűnt, hogy a sporopelleninnek két párhuzamos gerince van, amelyek poliketideknek nevezett molekulákból állnak, nem úgy, mint a DNS kettős hélixében lévő cukorgerinc. Úgy tűnt, hogy ezeket a gerinceket különböző típusú kapcsolatok szövevénye köti össze. Ez a vázlat azonban hiányos volt, és a biokémiai és genetikai módszerek egyes eredményei ellentmondtak egymásnak.
„Az egyetlen dolog, amiben mindenki egyetértett, az a szén, hidrogén és oxigén összetételének empirikus képlete” – mondta Banoub József, a kanadai Memorial University of Newfoundland kémia és biokémia professzora.
Pitch Pine Perfect
Li nem sokkal azután kezdett el foglalkozni a sporopolleninnel, hogy 2014-ben posztdoktoriként csatlakozott Weng laboratóriumához a Whitehead Institute-ban. A Cambridge-i Kendall Square szomszédságában, ahol az orvosbiológiai kutatás az elsődleges megszállottság, a laboratórium azon kevés helyek egyike, ahol az emberek növényeket tanulmányoznak, kutatási középpontjában a jellemzetlen botanikai molekulák galaxisa áll.
A Sporopollenin ellenállhatatlan kihívást jelentett Li számára. Funkciója jól ismert volt, és az előállításához szükséges gének minden mag- és spóratermelő növényben megtalálhatók, ami arra utalt, hogy a sporopollenin olyan alapvető adaptáció, amely lehetővé tette a növények számára, hogy a szárazföldön éljenek az óceánokból való kiszabadulás legelején. (Egyes algafajok sporopollenin-szerű anyagot is termelnek, ami arra utal, hogy a szárazföldi növények evolúciójuk során adaptálták ennek a molekulának a bioszintézisét.) A képesség mögött meghúzódó kémia azonban homályos maradt.
Költői lett volna, ha Li korai, a sporopolleninről szóló munkája a Walden-tó vizéből gyűjtött virágport használná fel. De a kényelem felülmúlta a romantikát: a virágport, amelyet csapata kezdetben vizsgált, az Amazontól rendelték. (A szurokfenyő pollenjét, amely bőségesen termeli a cuccot, széles körben árulják egészségügyi kiegészítőként.) A többi Cape Codból származott.
Li és munkatársai hónapokig próba-hiba teszteket végeztek olyan vegyületeken, amelyek képesek lebontani más kemény biopolimereket. Végül kifejlesztettek egy új, többlépcsős eljárást, amely pollenmintákat vett, golyós marógépben zúdította őket, és kémiailag megtörte a benne lévő sporopollenin molekulákat. Mindegyik molekula fele hat különálló darabra bomlott, amelyeket tömegspektrometriával jellemezhettünk.
A molekula másik fele, amelyet R-csoportnak (a „ellenállónak”) neveztek, csak akkor bomlott le, amikor egy másik oldószerrel keveredtek. Így R-ről részleges képet kaphattak, de a folyamat a molekula egyéb tulajdonságait rontotta, így Li csoportja egy egzotikusabb technológiához, a szilárdtest-magmágneses rezonancia spektroszkópiához folyamodott a jellemzésére.
A virágok változtattak
Ennek a munkának a gyümölcse, egy papír kiadva Természetes növények 2018 decemberében javasolta a sporopollenin eddigi legteljesebb molekuláris szerkezetét.
A beszélgetés során Li a kezével jellemezte a szerkezet bonyolult formáját. Hüvelykujjával és mutatóujjával megmutatta, hogyan lógnak le az aromás molekulák a gerincről váltakozó L-alakban. Bemutatta, hogyan kötődik össze a gerinc a keresztkötésekkel, úgy, hogy az egyik lapított kezét ferdén a másikba mutatta, mintha az imádság valami furcsa formájával foglalkozna. Ezek az alapegységek összekapcsolódva alkotják a teljes exin héjat, amely gyökeresen eltérő alakot ölt a különböző növényekben, bár az alapvető molekuláris alegységek alapvetően hasonlóak.
A szerkezet hitelt adott annak az elképzelésnek, hogy a sporopollenin szilárdsága a gerincek közötti változatos, fonott kötésekből adódik. Ezek az észter- és éterkötések ellenállnak bázikus, illetve savas körülményeknek; együtt ellenállnak mindkettőnek. A Li csoportja által javasolt szerkezet több olyan aromás molekulát is tartalmazott, amelyekről ismert, hogy ellenállnak az ultraibolya fénnyel szemben, amelyek a sporopollenin azon képességét magyarázzák, hogy megvédi a DNS-t az elemektől.
"Ezek az anyagcsere-újítások nélkül a növények nem tudtak volna a vízből a szárazföldre vándorolni" - írta Weng egy e-mailben. Quanta.
Nemrég Li és munkatársai módszerüket az Egyesült Államok északkeleti részének botanikus kertjéből gyűjtött több mint 100 különböző szárazföldi növényfaj sporopolleninjének jellemzésére használták. Li szerint, aki a tanulmány eredményeit publikálásra készül benyújtani, a sporopollenin szerkezete növénytípusonként furcsa minta szerint változik.
Azt találták, hogy a gymnosperms, a szárazföldi növénycsoport, amely magában foglalja a cikádokat és a tűlevelűeket, például a szurokfenyőt, és az úgynevezett alacsonyabb szárazföldi növények, mint a mohák és páfrányok, általában hosszú, hasonló sporopollenint tartalmaznak. Ez logikus, mert ezek a növények virágporukat akarva-akaratlanul terjesztik a szélre; hosszú láncú sporopolleninre van szükségük a védelmére.
A zárvatermők vagy virágos növények esetében azonban a helyzet összetettebb. Virágaik árnyékolják pollenjüket a napfénytől és a kiszáradástól, a rovarok pedig hatékonyan mozgatják a virágport virágról virágra, minimalizálva az egyéb kockázatoknak való kitettséget. Következésképpen a zárvatermőknek nincs szükségük arra, hogy a sporopolleninjük ilyen egyenletesen robusztus legyen.
A hosszú láncú sporopollenin előállítása pedig energiaigényes folyamat, mondta Li, így „amikor a virágok fejlődtek, már nem akartak fenyőszerű sporopollenint termelni”. Li és Weng szerint jelentős különbségek alakultak ki a zárvatermők két fő kategóriája, az egyszikűek és a kétszikűek által termelt sporopolleninek között, amelyek embriójuk, érrendszerük, száruk, gyökereik és virágaik szerkezetében eltérnek egymástól.
Természetesen a különbségek nem abszolútak. Egyes virágos növények fenyőszerű szerkezetű sporopollenint termelnek, mondta Li. „Talán, ha lenne még 6 millió évünk, elveszíthetik a funkciójukat”, vagy más ökológiai fékek és egyensúlyok játszanak szerepet, amelyek megőrzik a sporopollenin szerkezetét bizonyos növénycsoportok esetében.
„Az evolúció nem egy vonal” – mondta Li. „Mint a bálnák. Egyszer a szárazföldön éltek; most az óceánban élnek." A bálnák azonban még mindig rendelkeznek bizonyos szárazföldi állatok jellemzőivel. Talán néhány virágpor megőrizte saját történetének elavult nyomait.
A titokzatos polimer
Más növénykutatók egyetértenek abban, hogy Li és Weng sporopolleninnel kapcsolatos szerkezeti munkája javította ismereteinket a molekuláról. De nem mindegyikük van meggyőződve arról, hogy javaslatuk helyes, vagy hogy ezzel lezárja a sporopollenin szerkezetének évszázados kutatását.
„Sokkal világosabb volt, mint korábban” – mondta Zhong-Nan Yang, biológus, aki a sporopollenint tanulmányozza a Shanghai Normal Egyetemen. – De ezt ellenőrizni kell. Azt mondta, Li-nek és kollégáinak még azonosítaniuk kell azokat a géneket, amelyek felelősek a fenyő sporopollenin bizonyos tulajdonságainak előállításához szükséges enzimekért.
A 2020 vizsgálat A sporopollenin molekuláris szerkezetének „demisztifikálása és feltárása” közvetlenebb kihívást jelentett. Számos módszert alkalmazva, és a fenyő helyett a klubmohából származó sporopolleninnel dolgozva, Banoub csoportja a Memorial University-n olyan szerkezetre jutott, amely több lényeges dologban különbözött a Li és Weng által javasolttól. Ami a legfontosabb, Banoub azt mondta: "Bebizonyítottuk, hogy a sporopolleninben nincsenek aromás vegyületek." Véleménye szerint az eltérés a fenyőben lévő sporopollenin és a moha közötti különbségekkel magyarázható.
„Személyes véleményem az, hogy ezek nem helyesek” – mondta Li, de inkább nem kommentál további megjegyzéseket, amíg a laborjából származó releváns eredmények közzé nem állnak.
„Még mindig ez a titokzatos polimer” – mondta Teagen Quilichini, a Kanadai Nemzeti Kutatási Tanács növénybiológusa. tanulmányozta a sporopollenint, e-mailben. "Annak ellenére, amit egyes jelentések sugallnak.”
Kemény, de még ehető?
A sporopollenin szerkezetével kapcsolatos viták ellenére Li és mások a Weng-laboratóriumban egy másik evolúciós kérdésre tértek át: Vajon rájött a természet, hogyan szedje szét ezt a szinte elpusztíthatatlan anyagot, amelyet összeállított?
Miközben a Walden-tó körül túrázott, hogy más pollenbevonatú bemeneteket keressen, Li a sporopollenint a ligninhez hasonlította, a növényi polimerhez, amely megerősíti a fát és a kérget. Miután a fás szárú növények először 360 millió évvel ezelőtt fejlődtek ki, a geológiai feljegyzések több tízmillió éven át a megkövesedett lignin rétegekben bőséges jelenlétét mutatják. Aztán körülbelül 300 millió évvel ezelőtt hirtelen eltűnik a lignin. Eltűnése azt a pillanatot jelzi, amikor a fehér rothadásnak nevezett gomba olyan enzimeket fejlesztett ki, amelyek képesek a lignin lebontására, és nagy részét megette, mielőtt megkövesedett volna.
Li érvelése szerint a sporopelleninnek gombának vagy más mikrobának is kell lennie, amely képes lebontani. Különben belefulladnánk a cuccba. Li hátulsó számításai szerint az erdőkben évente 100 millió tonna sporopollenint termelnek. Ez még a füvek által termelt sporopollenint sem veszi figyelembe. Ha semmi sem eszi meg, hova kerül?
Ez az oka annak, hogy Li a legújabb pollenmintájának forrásaként úgy döntött, hogy lemond az Amazon Prime-ról, és egy Walden Pondnál töltött napot választott. Csapatának megfigyelései arra utalnak, hogy egyes Petri-csészékben termesztett mikroorganizmusok túlélhetnek, ha csak sporopollenint és nitrogént táplálnak. A Waldenből származó minták, amelyek természetesen tele vannak tavi mikrobaközösségekkel, segíthetnek Li-nek eldönteni, hogy a vadon élő gombák és más mikrobák populációi felszabadíthatják-e a tápanyagokat a sporopollenin látszólag feltörhetetlen molekuláiban.
Miközben hínár- és granolaszeleteket falatoztunk a tó partján, könnyen átláthattuk az egész helyzetet a gombák szemszögéből. A természet utál elpazarolni egy ételt – még azt is, amit olyan nehéz megrágni.
