Quando Fu-Shuang Li, um bioquímico e cientista pesquisador do Instituto Whitehead em Cambridge, Massachusetts, precisava de algum pólen para sua pesquisa, ele sabia exatamente aonde ir. Toda primavera, os pinheiros que circundam Walden Pond, em Concord, liberam nuvens de pólen dourado que cobrem a água e se reúnem em redemoinhos galácticos contra a costa. Henry David Thoreau, que passou dois anos morando ao lado do lago na década de 1840, encerra seu famoso relato da experiência descrevendo tanto pólen que “você poderia ter coletado um barril cheio”.
Agachado na beira do lago, vestindo um moletom preto e calça de moletom, Li mergulhou em um tubo de ensaio, extraindo algumas centenas de mililitros de água, carregada de pólen e tudo o mais que crescia nele. Estava longe de ser um barril cheio dessa substância, mas foi mais do que suficiente para os esforços de Li no estudo da estrutura molecular da camada externa do pólen. Chamado de esporopolenina, o material que compõe a casca é tão resistente que às vezes é chamado de diamante do mundo vegetal.
Durante mais de um século, os cientistas tentaram compreender a base química da força incomparável da esporopolenina. A esporopolenina protege o DNA do pólen e dos esporos da luz, do calor, do frio e da dessecação. Sem ele, as plantas não seriam capazes de viver na terra. Mas a resistência da esporopolenina tornou difícil estudá-la, mesmo décadas depois de as estruturas moleculares da celulose, da lignina e de outros polímeros vegetais básicos terem sido desvendadas. “A natureza desenvolveu a esporopolenina para resistir a qualquer ataque”, disse Li. “Inclusive por cientistas.”
Recentemente, contudo, as defesas da esporopolenina podem ter sido superadas. Em 2018, Li e outros pesquisadores do Whitehead, liderados pelo biólogo vegetal Jing-Ke Weng, publicaram a primeira estrutura completa da esporopolenina. Trabalhos subsequentes da equipe, alguns deles ainda não publicados, forneceram mais detalhes sobre como vários grupos de fábricas ajustaram essa estrutura para melhor atender às suas necessidades. A estrutura proposta e a visão melhorada da esporopolenina que ela oferece não são isentas de controvérsia, mas esclareceram o papel essencial da molécula em ajudar as plantas a conquistarem a terra.
O Enigma Inerte
Todas as plantas com sementes produzem pólen; outras plantas terrestres, como o musgo, produzem esporos. Carregando metade da informação genética que as plantas precisam para se reproduzir, o pólen e os esporos movem-se pelo ambiente através do vento ou de um animal útil, para chegar a outra planta da sua espécie e fertilizar o seu óvulo. Mas ao longo do caminho, o pólen e os esporos têm de enfrentar perigos que vão desde a desidratação aos raios ultravioleta do sol e aos insectos famintos. Desde que as plantas foram encontradas pela primeira vez na terra, há cerca de 470 milhões de anos, manter a informação genética do pólen e dos esporos segura durante o seu percurso até à fertilização tem sido de vital importância.
A principal estratégia que as plantas utilizam para proteger esse ADN é envolvê-lo numa concha especializada de esporopolenina, que é impermeável aos elementos e está entre os materiais mais resistentes produzidos por qualquer ser vivo. Foi encontrado intacto em rochas de meio bilhão de anos. A papel 2016 descobriram que, devido à robustez da esporopolenina, os esporos mantiveram sua estabilidade em bigornas de diamante a pressões de 10 gigapascais, ou 725 toneladas por polegada quadrada.
Os pesquisadores conhecem e se perguntam sobre a esporopolenina desde pelo menos 1814. Eles observaram que mesmo depois que o resto de um grão de pólen ou esporo foi dissolvido quimicamente, uma substância estranha sempre permaneceu. Durante a maior parte do século seguinte, aqueles que o estudaram em esporos e pólen trabalharam separadamente, referindo-se a ele exclusivamente como esporonina ou pólen. Foi apelidado de esporopolenina em 1931 para apaziguar ambas as comunidades.
Nas décadas seguintes, o conhecimento sobre a molécula terminou em grande parte com o nome. Os investigadores reconheceram que a esporopolenina poderia ser a chave para compreender como as plantas conquistaram quase todos os habitats da Terra, e sonhavam em utilizar o material para tudo, desde o revestimento dos cascos dos navios até à protecção de proteínas frágeis em vacinas orais. Mas obter a estrutura e a composição química da esporopolenina era um pré-requisito para qualquer trabalho futuro, e a esporopolenina frustrou todos os esforços.
Os químicos geralmente determinam a estrutura de uma molécula complexa dividindo-a em suas partes constituintes, encontrando a estrutura delas e depois juntando-as novamente. Mas a esporopolenina era demasiado inerte para que os agentes químicos habituais a digerissem. A partir da década de 1960, novos métodos bioquímicos e espectrometria de massa fizeram algum progresso na estrutura e composição química, e os biólogos mais tarde inferiram alguns detalhes do conhecimento dos genes e processos enzimáticos que sintetizam a esporopolenina.
Nenhum desses métodos, entretanto, poderia fornecer uma imagem completa da molécula. A esporopolenina parecia ter duas estruturas paralelas feitas de moléculas chamadas policetídeos, não muito diferentes das estruturas de açúcar na dupla hélice do DNA. Essas espinhas dorsais pareciam estar conectadas por uma trama de ligações de diferentes tipos. Mas este esboço estava incompleto e algumas das descobertas dos métodos bioquímicos e genéticos conflitavam entre si.
“A única coisa em que todos concordaram foi a fórmula empírica para a composição de carbono, hidrogênio, oxigênio”, disse José Banoub, professor de química e bioquímica na Memorial University of Newfoundland, no Canadá.
Pinho Perfeito
Li começou a trabalhar com esporopolenina logo depois de ingressar no laboratório de Weng no Whitehead Institute como pós-doutorado em 2014. No bairro de Kendall Square, em Cambridge, onde a pesquisa biomédica é a principal obsessão, o laboratório é um dos poucos lugares onde as pessoas estudam plantas, com foco de pesquisa na galáxia de moléculas botânicas que permanecem não caracterizadas.
A esporopolenina foi um desafio irresistível para Li. A sua função era bem conhecida e os genes para a produzir encontravam-se em todas as plantas produtoras de sementes e esporos, o que implicava que a esporopolenina era uma adaptação básica que permitia às plantas viverem em terra logo no início da sua fuga dos oceanos. (Algumas espécies de algas também produzem uma substância semelhante à esporopolenina, o que sugere que as plantas terrestres adaptaram a biossíntese dessa molécula durante a sua evolução.) No entanto, a química por trás dessa capacidade permaneceu obscura.
Teria sido poético se os primeiros trabalhos de Li sobre a esporopolenina tivessem usado pólen coletado nas águas de Walden Pond. Mas a conveniência superou o romance: o pólen que sua equipe estudou inicialmente foi encomendado da Amazon. (O pólen do pinheiro, que produz copiosamente a substância, é amplamente vendido como suplemento de saúde.) O restante veio de Cape Cod.
Durante meses, Li e seus colaboradores realizaram testes de tentativa e erro em compostos que podem degradar outros biopolímeros resistentes. Eventualmente, eles desenvolveram um novo processo de múltiplas etapas que poderia coletar amostras de pólen, esmurrá-las em uma fresadora de bolas e fraturar quimicamente as moléculas de esporopolenina contidas. Metade de cada molécula se dividiu em seis pedaços distintos que poderiam então ser caracterizados por espectrometria de massa.
A outra metade da molécula, que eles chamaram de grupo R (de “recalcitrante”), só se quebrou quando misturada com outro agente dissolvente. Eles conseguiram obter uma visão parcial de R dessa forma, mas o processo degradou outras características da molécula, então o grupo de Li recorreu a uma tecnologia mais exótica, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear de estado sólido, para caracterizá-la.
As flores fizeram a diferença
O fruto desse trabalho, um papel publicado em plantas Natureza em dezembro de 2018, propôs a estrutura molecular mais completa da esporopolenina até o momento.
Durante a conversa, Li usou as mãos para descrever o formato intricado da estrutura. Com o polegar e o indicador, ele mostrou como as moléculas aromáticas ficam penduradas na espinha dorsal em formas de L alternadas. Ele demonstrou como a espinha dorsal está ligada às ligações cruzadas, apontando uma mão espalmada para a outra em um ângulo, como se estivesse engajado em alguma forma estranha de oração. Essas unidades básicas se unem para formar o invólucro completo da exina, que assume formas radicalmente diferentes em plantas diferentes, embora as subunidades moleculares básicas sejam fundamentalmente semelhantes.
A estrutura deu credibilidade à ideia de que a robustez da esporopolenina surge das variadas ligações trançadas entre as espinhas dorsais. Estas ligações éster e éter são resistentes, respectivamente, a condições básicas e ácidas; juntos eles resistem a ambos. A estrutura proposta pelo grupo de Li também incluía várias moléculas aromáticas conhecidas por serem resistentes à luz ultravioleta, o que explicava a capacidade da esporopolenina de proteger o DNA dos elementos.
“Sem estas inovações metabólicas, as plantas não teriam sido capazes de migrar da água para a terra”, escreveu Weng num e-mail para Quanto.
Recentemente, Li e seus colegas usaram seu método para caracterizar a esporopolenina de mais de 100 espécies diversas de plantas terrestres coletadas em jardins botânicos no nordeste dos Estados Unidos. Segundo Li, que se prepara para submeter os resultados do estudo para publicação, a estrutura da esporopolenina varia entre os tipos de plantas num padrão curioso.
Eles descobriram que as gimnospermas, o grupo de plantas terrestres que inclui cicadáceas e coníferas como o pinheiro, e as chamadas plantas terrestres mais baixas, como musgos e samambaias, tendem a ter esporopoleninas longas e semelhantes. Isso faz sentido porque essas plantas disseminam seu pólen com o vento, quer queira quer não; eles precisam de esporopolenina de cadeia longa para protegê-los.
Mas entre as angiospermas, ou plantas com flores, a situação é mais complexa. Suas flores protegem o pólen do sol e da dessecação, e os insetos movem o pólen com eficiência de flor em flor, minimizando a exposição a outros riscos. Conseqüentemente, as angiospermas não precisam que sua esporopolenina seja tão uniformemente robusta.
E produzir esporopolenina de cadeia longa é um processo que consome muita energia, disse Li, então “quando as flores evoluíram, elas não queriam mais produzir esporopolenina semelhante ao pinheiro”. Segundo Li e Weng, diferenças significativas parecem ter evoluído entre as esporopoleninas produzidas pelas duas principais categorias de angiospermas, monocotiledôneas e dicotiledôneas, que divergem nas estruturas de seus embriões, vasculatura, caules, raízes e flores.
É claro que as distinções não são absolutas. Algumas plantas com flores produzem esporopolenina com uma estrutura semelhante à do pinheiro, disse Li. “Talvez se tivéssemos mais 6 milhões de anos, eles poderiam perder a função daqueles”, ou talvez existam outras verificações e equilíbrios ecológicos em jogo, preservando essa estrutura de esporopolenina para certos grupos de plantas.
“A evolução não é uma linha”, disse Li. “Como as baleias. A certa altura, eles viveram em terra; agora eles vivem no oceano.” No entanto, as baleias ainda apresentam algumas características de animais terrestres. Talvez alguns pólens de flores retenham traços obsoletos de sua própria história.
O Polímero Misterioso
Outros pesquisadores de plantas concordam que o trabalho estrutural de Li e Weng sobre a esporopolenina melhorou nosso conhecimento da molécula. Mas nem todos estão convencidos de que a sua proposta está correta ou que conclui a busca de um século pela estrutura da esporopolenina.
“Estava muito mais claro do que antes”, disse Zhong Nan Yang, biólogo que estuda esporopolenina na Universidade Normal de Xangai. “Mas isso precisa ser verificado.” Ele disse que Li e seus colegas ainda precisam identificar os genes responsáveis pelas enzimas necessárias para produzir certas características da esporopolenina do pinheiro.
A Estudo 2020 que visava “desmistificar e desvendar” a estrutura molecular da esporopolenina representava um desafio mais direto. Usando uma série de métodos e trabalhando com esporopolenina de musgo em vez de pinheiro, o grupo de Banoub na Memorial University chegou a uma estrutura que diferia em vários aspectos importantes daquela proposta por Li e Weng. Mais importante ainda, disse Banoub, “provamos que não existem compostos aromáticos na esporopolenina”. A disparidade, pensa ele, pode ser explicada pelas diferenças entre a esporopolenina no pinheiro e no musgo.
“Minha opinião pessoal é que eles não estão corretos”, disse Li, mas prefere não comentar mais até que alguns resultados relevantes de seu laboratório estejam prontos para publicação.
“Ainda é um polímero bastante misterioso”, comentou Teagen Quilichini, biólogo vegetal do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá que estudou esporopolenina, em um e-mail. "Apesar do que alguns relatórios sugerem.”
Resistente, mas ainda comestível?
Apesar das controvérsias sobre a estrutura da esporopolenina, Li e outros do laboratório Weng passaram para outra questão evolutiva: será que a natureza descobriu como desmontar este material quase indestrutível que reuniu?
Enquanto caminhava ao redor de Walden Pond em busca de outras entradas revestidas de pólen, Li comparou a esporopolenina à lignina, o polímero vegetal que fortalece a madeira e a casca. Depois que as plantas lenhosas evoluíram pela primeira vez, há cerca de 360 milhões de anos, o registro geológico mostra uma abundância de lignina fossilizada em estratos durante dezenas de milhões de anos. Então, de repente, há cerca de 300 milhões de anos, a lignina desapareceu. Seu desaparecimento marca o momento em que um fungo chamado podridão branca desenvolveu enzimas capazes de degradar a lignina e comeu grande parte dela antes que pudesse fossilizar.
A esporopolenina, raciocinou Li, também deve conter um fungo ou outro micróbio capaz de decompô-la. Caso contrário, estaríamos nos afogando naquela coisa. Os cálculos aproximados de Li são de que 100 milhões de toneladas de esporopolenina são produzidas nas florestas todos os anos. Isso nem leva em conta a esporopolenina produzida pelas gramíneas. Se nada está comendo, para onde vai tudo?
É por isso que, como fonte de sua última amostra de pólen, Li optou por renunciar ao Amazon Prime em favor de um dia em Walden Pond. As observações da sua equipa sugerem que alguns microrganismos cultivados em placas de Petri podem sobreviver quando alimentados apenas com esporopolenina e azoto. Amostras de Walden, que estão naturalmente repletas de comunidades microbianas lacustres, devem ajudar Li a determinar se as populações de fungos e outros micróbios na natureza podem desbloquear os nutrientes das moléculas aparentemente inquebráveis da esporopolenina.
Enquanto comíamos algas marinhas e barras de granola à beira do lago, foi fácil ver toda a situação do ponto de vista dos fungos. A natureza odeia desperdiçar uma refeição – mesmo que seja tão difícil de mastigar.
