日時 フー・シュアン・リーマサチューセッツ州ケンブリッジにあるホワイトヘッド研究所の生化学者兼研究科学者は、研究のために花粉を必要としていました。彼はどこに行けばよいかを知っていました。 毎年春に、コンコードのウォルデン池を鳴らしているリギダマツは、水を覆い、岸に向かって銀河の渦に集まる金色の花粉の雲を放出します。 1840年代に池のそばにXNUMX年間住んでいたヘンリー・デイヴィッド・ソローは、「XNUMXバレルを集めることができたはずです」と多くの花粉を説明することで、彼の有名な体験談を締めくくります。
池の端で黒いパーカーとスウェットパンツに身をかがめ、Liは試験管に浸し、数百ミリリットルの水を引き出し、花粉やその他の成長しているものをすべて積んだ。 花粉の外殻の分子構造を研究するためのLiの努力には十分でした。 スポロポレニンと呼ばれる、殻を構成する材料は非常に丈夫で、植物界のダイヤモンドと呼ばれることもあります。
XNUMX世紀以上の間、科学者たちはスポロポレニンの比類のない強さの化学的基礎を理解しようと試みてきました。 スポロポレニンは、花粉と胞子のDNAを光、熱、寒さ、乾燥から保護します。 それがなければ、植物は土地に住むことができません。 しかし、スポロポレニンの強靭さは、セルロース、リグニン、および他の基本的な植物ポリマーの分子構造が困惑してから数十年後でも、研究を困難にしました。 「自然はあらゆる攻撃に抵抗するためにスポロポレニンを進化させました」とLiは言いました。 「科学者によるものを含みます。」
しかし、最近、スポロポレニンの防御が克服された可能性があります。 2018年、植物生物学者が率いるホワイトヘッドのLiと他の研究者 ジン・ケ・ウェン、スポロポレニンの最初の完全な構造を公開しました。 チームによるその後の作業（一部はまだ公開されていません）では、さまざまな植物グループがその構造を微調整してニーズをより適切に満たす方法について詳しく説明しています。 彼らの提案された構造とそれが提供するスポロポレニンの改善された見方は論争がないわけではありませんが、植物が土地を征服するのを助ける分子の本質的な役割を明らかにしました。
不活性な謎
すべての播種植物は花粉を作ります。 コケなどの他の陸上植物は胞子を生成します。 花粉と胞子は、植物が繁殖するのに必要な遺伝情報の半分を運び、風や役に立つ動物の上を移動して、その種の別の植物に到達し、その卵細胞を受精させます。 しかし、その過程で、花粉と胞子は、脱水症から太陽の紫外線、空腹の昆虫に至るまでの危険に立ち向かわなければなりません。 植物は約470億XNUMX万年前に最初に土地で購入を見つけて以来、受精への旅の間、花粉と胞子内の遺伝情報を安全に保つことが非常に重要でした。
植物がそのDNAを保護するために採用する主な戦略は、スポロポレニンの特殊な殻に包むことです。スポロポレニンは、元素や生物によって生成される最も丈夫な材料の中に不浸透性です。 それはXNUMX億年前の岩石で無傷で発見されました。 A 2016紙 スポロポレニンの堅牢性のために、胞子は10ギガパスカル（725平方インチあたりXNUMXトン）の圧力でダイヤモンドアンビル内で安定性を維持することがわかりました。
研究者たちは少なくとも1814年以来、スポロポレニンについて知っていて疑問に思っていました。彼らは、残りの花粉粒や胞子が化学的に溶解した後でも、常に奇妙な物質が残っていることを観察しました。 次の世紀のほとんどの間、胞子と花粉でそれを研究している人々は、それをもっぱらスポロニンまたは花粉と呼んで、別々に働きました。 それは両方のコミュニティをなだめるために1931年にスポロポレニンと呼ばれました。
その後数十年間、分子に関する知識は主に名前で終わりました。 研究者たちは、スポロポレニンが地球上のほぼすべての生息地を植物がどのように征服したかを理解するための鍵となる可能性があることを認識し、船体のコーティングから経口ワクチンの壊れやすいタンパク質の保護まで、あらゆる用途にこの材料を使用することを夢見ました。 しかし、スポロポレニンの構造と化学組成を取得することは、今後の作業の前提条件であり、スポロポレニンはあらゆる努力を挫折させました。
化学者は通常、複雑な分子を構成要素に分解し、それらの構造を見つけて、それらをつなぎ合わせることによって、複雑な分子の構造を決定します。 しかし、スポロポレニンは不活性すぎて通常の化学薬品では消化できませんでした。 1960年代から、新しい生化学的手法と質量分析法によって構造と化学組成がある程度進歩し、後に生物学者はスポロポレニンを合成する遺伝子と酵素プロセスの知識から詳細を推測しました。
ただし、これらの方法では、分子の全体像を把握することはできませんでした。 スポロポレニンは、DNAの二重らせんの糖骨格とは異なり、ポリケチドと呼ばれる分子でできたXNUMXつの平行な骨格を持っているようでした。 これらのバックボーンは、さまざまなタイプのリンケージの織り方によって接続されているように見えました。 しかし、このスケッチは不完全であり、生化学的および遺伝的方法からの発見のいくつかは互いに矛盾していました。
「誰もが同意した唯一のことは、炭素、水素、酸素の組成の実験式でした」と述べました。 ジョセフ・バヌーブ、カナダのニューファウンドランド記念大学の化学および生化学の教授。
リギダマツパーフェクト
リーは、2014年にホワイトヘッド研究所のウェングの研究室にポスドクとして加わった直後にスポロポレニンの研究を開始しました。生物医学研究が第一の関心事であるケンドールスクエアのケンブリッジ地区にある研究室は、人々が植物を研究する数少ない場所のXNUMXつです。特徴づけられていない植物分子の銀河に焦点を当てた研究を行っています。
スポロポレニンはLiにとって魅力的な挑戦でした。 その機能はよく知られており、それを作るための遺伝子はすべての種子と胞子を生産する植物にあり、スポロポレニンは植物が海からの脱出の最初の段階で陸上に住むことを可能にする基本的な適応であったことを意味しました。 （藻類のいくつかの種はまたスポロポレニンのような物質を作ります、それは陸上植物がそれらの進化の間にその分子の生合成を適応させたことを示唆します。）それでもその能力の背後にある化学はぼやけたままでした。
スポロポレニンに関するLiの初期の研究が、ウォルデン池の水から集められた花粉を使用していたら、それは詩的だったでしょう。 しかし、便利さはロマンスを打ち負かしました：彼のチームが最初に研究した花粉はアマゾンから注文されました。 （リギダマツの花粉は豊富に生産されており、健康補助食品として広く販売されています。）残りはケープコッドから来ました。
Liと彼の共同研究者は、他の丈夫な生体高分子を分解する可能性のある化合物について、何ヶ月も試行錯誤を繰り返しました。 最終的に、彼らは花粉のサンプルを採取し、ボールミルでそれらを粉砕し、含まれているスポロポレニン分子を化学的に破壊することができる新しい多段階プロセスを開発しました。 各分子の半分はXNUMXつの異なる断片に分解され、質量分析によって特徴付けることができました。
彼らがR基（「扱いにくい」の意味）と呼んだ分子の残りの半分は、別の溶解剤と混合したときにのみ分解しました。 彼らはこの方法でRの部分的なビューを得ることができましたが、プロセスは分子の他の機能を劣化させたので、Liのグループはそれを特徴づけるためにもっとエキゾチックな技術である固体核磁気共鳴分光法に頼りました。
花は違いを生んだ
その仕事の成果、 紙 に発表され 自然植物 2018年XNUMX月、これまでで最も完全なスポロポレニンの分子構造を提案しました。
会話の中で、李は彼の手を使って構造の複雑な形を説明しました。 彼は親指と人差し指で、芳香族分子がL字型に交互に骨格からぶら下がっている様子を示しました。 彼は、ある奇妙な形の祈りをしているように、平らにされた片方の手をもう片方に斜めに向けることによって、背骨がどのように十字架に縛られているかを示しました。 これらの基本単位は互いにリンクして完全な外皮殻を形成します。これは、基本的な分子サブユニットは基本的に類似していますが、さまざまな植物で根本的に異なる形状を取ります。
この構造は、スポロポレニンの硬度が骨格間の多様な編組結合から生じるという考えに信憑性を与えました。 これらのエステル結合とエーテル結合は、それぞれ塩基性条件と酸性条件に耐性があります。 一緒に彼らは両方に抵抗します。 Liのグループが提案した構造には、紫外線に耐性があることが知られているいくつかの芳香族分子も含まれていました。これは、元素からDNAを保護するスポロポレニンの能力を説明しています。
「これらの代謝革新がなければ、植物はそもそも水から陸へと移動することができなかったでしょう」とウェングは電子メールで次のように書いています。 クォンタ。
最近、Liと彼の同僚は、米国北東部の植物園から収集された100を超える多様な陸上植物種からのスポロポレニンを特徴づけるために彼らの方法を使用しました。 研究結果を発表する準備をしているLi氏によると、スポロポレニンの構造は植物の種類によって奇妙なパターンで異なります。
彼らは、裸子植物、リギダマツのようなソテツや針葉樹を含む陸上植物グループ、およびコケやシダのようないわゆる低地植物は、長く、同様のスポロポレニンを持っている傾向があることを発見しました。 これらの植物は風に乗って花粉を気ままに広めるので、これは理にかなっています。 彼らはそれを保護するために長鎖スポロポレニンを必要とします。
しかし、被子植物、または顕花植物の間では、状況はより複雑です。 彼らの花は花粉を太陽と乾燥から覆い隠し、昆虫は花粉を花から花へと効率的に移動させ、他のリスクへの暴露を最小限に抑えます。 その結果、被子植物は、スポロポレニンがそれほど均一に頑強である必要はありません。
そして、長鎖スポロポレニンを作ることはエネルギー集約的なプロセスである、とリーは言いました、それで「花が進化したとき、彼らはもはや松のようなスポロポレニンを作りたくありませんでした」。 LiとWengによると、被子植物のXNUMXつの主要なカテゴリーである単子葉植物と双子葉植物によって生成されるスポロポレニンの間で大きな違いが生じたようです。これらは、胚、血管系、茎、根、花の構造が異なります。
もちろん、その違いは絶対的なものではありません。 いくつかの顕花植物は松のような構造を持つスポロポレニンを生産します、とリーは言いました。 「さらに6万年あれば、それらの機能が失われる可能性があります」、または特定の植物グループのスポロポレニン構造を維持する他の生態学的チェックとバランスが機能している可能性があります。
「進化は線ではありません」とLiは言いました。 「クジラのように。 ある時点で彼らは土地に住んでいました。 今、彼らは海に住んでいます。」 それでも、クジラにはまだいくつかの陸生動物の特徴があります。 おそらく、いくつかの花粉は、彼ら自身の歴史の時代遅れの痕跡を保持しています。
不思議なポリマー
他の植物研究者は、スポロポレニンに関するLiとWengの構造研究により、分子に関する知識が向上したことに同意しています。 しかし、彼らのすべてが彼らの提案が正しいこと、またはそれがスポロポレニンの構造のXNUMX世紀にわたる調査を結論付けることを納得させるわけではありません。
「以前よりもはるかに明確でした」と述べました 中南陽、上海師範大学でスポロポレニンを研究している生物学者。 「しかし、それは検証される必要があります。」 彼は、Liと彼の同僚は、松のスポロポレニンの特定の特徴を作るのに必要な酵素の原因となる遺伝子をまだ特定しなければならないと述べた。
A 2020研究 スポロポレニンの分子構造を「解明し解明する」ことを目的として、より直接的な課題が提起されました。 さまざまな方法を使用し、松ではなくクラブモスからのスポロポレニンに取り組んだことで、メモリアル大学のバヌーブのグループは、LiとWengによって提案されたものとはいくつかの重要な点で異なる構造に到達しました。 最も重要なことは、バヌーブは「スポロポレニンの中に芳香族化合物がないことを証明した」と述べた。 格差は、松とヒカゲノカズラのスポロポレニンの違いによって説明されるかもしれないと彼は考えています。
「私の個人的な見解は、それらは正しくないということです」とLiは言いましたが、彼の研究室からのいくつかの関連する結果が公開される準備ができるまで、彼はこれ以上コメントしないことを好みます。
「それはまだかなり神秘的なポリマーです」とカナダ国立研究評議会の植物生物学者であるティーゲン・キリチーニはコメントしました。 スポロポレニンを研究、メールで。 "いくつかの報告が示唆しているにもかかわらず。」
タフだがまだ食べられる？
スポロポレニンの構造をめぐる論争にもかかわらず、ウェング研究所のLiと他の人々は、別の進化論的な質問に移りました。自然は、それがまとめたこのほぼ破壊不可能な材料を分解する方法を理解しましたか？
彼が他の花粉でコーティングされた入口を探してウォルデン池の周りをハイキングしたとき、Liはスポロポレニンを木と樹皮を強化する植物ポリマーであるリグニンと比較しました。 木本植物が約360億300万年前に最初に進化した後、地質記録は、何千万年もの間、地層に化石化したリグニンが豊富にあることを示しています。 それから約XNUMX億年前に突然リグニンが消えました。 その消失は、白腐れと呼ばれる真菌がリグニンを分解することができる酵素を進化させ、それが化石化する前にその多くを食べた瞬間を示しています。
スポロポレニンは、Liが推論したように、それを分解することができる真菌または他の微生物も持っている必要があります。 そうでなければ、私たちはものに溺れてしまうでしょう。 Liの封筒裏の計算では、毎年100億トンのスポロポレニンが森林で生産されています。 それは草によって生成されたスポロポレニンを説明していません。 何も食べていないのなら、どこに行くの？
これが、彼の最新の花粉サンプルのソースとして、LiがWaldenPondでのXNUMX日を支持してAmazonPrimeを放棄することを選択した理由です。 彼のチームによる観察は、ペトリ皿で育てられたいくつかの微生物は、スポロポレニンと窒素だけを与えられたときに生き残ることができることを示唆しています。 自然に湖の微生物群集でいっぱいのウォルデンからのサンプルは、野生の真菌や他の微生物の集団がスポロポレニンの一見壊れない分子の栄養素を解き放つことができるかどうかをLiが判断するのに役立つはずです。
池の端にある海藻やグラノーラバーで軽食をとっていたので、菌類の視点から全体の状況を簡単に見ることができました。 自然は食事を無駄にすることを嫌います—噛むのがとても難しいものでさえ。
