Πώς το «Διαμάντι του Φυτικού Κόσμου» βοήθησε να εξελιχθούν τα φυτά της γης

Όταν ο Fu-Shuang Li, βιοχημικός και ερευνητής στο Ινστιτούτο Whitehead στο Cambridge της Μασαχουσέτης, χρειαζόταν λίγη γύρη για την έρευνά του, ήξερε ακριβώς πού να πάει. Κάθε άνοιξη, τα πεύκα που κουδουνίζουν το Walden Pond στο Concord απελευθερώνουν σύννεφα χρυσής γύρης που επικαλύπτουν το νερό και συγκεντρώνονται σε γαλαξιακούς στροβίλους στην ακτή. Ο Henry David Thoreau, ο οποίος πέρασε δύο χρόνια ζώντας δίπλα στη λίμνη τη δεκαετία του 1840, κλείνει τη διάσημη αφήγηση της εμπειρίας του περιγράφοντας τόση γύρη, «θα μπορούσες να είχες μαζέψει ένα βαρέλι».

Σκύβοντας στην άκρη της λίμνης με ένα μαύρο hoodie και αθλητικό παντελόνι, ο Li βυθίστηκε σε ένα δοκιμαστικό σωλήνα, βγάζοντας μερικές εκατοντάδες χιλιοστόλιτρα νερό, φορτωμένο με γύρη και ό,τι άλλο φύτρωνε μέσα του. Δεν ήταν καθόλου βαρέλι από το υλικό, αλλά ήταν περισσότερο από αρκετό για τις προσπάθειες του Λι να μελετήσει τη μοριακή δομή του εξωτερικού κελύφους της γύρης. Ονομάζεται σποροπολενίνη, το υλικό που συνθέτει το κέλυφος είναι τόσο σκληρό που μερικές φορές αποκαλείται το διαμάντι του φυτικού κόσμου.

Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι επιστήμονες προσπάθησαν να κατανοήσουν τη χημική βάση για την απαράμιλλη δύναμη της σποροπολενίνης. Η σποροπολενίνη προστατεύει το DNA της γύρης και των σπόρων από το φως, τη ζέστη, το κρύο και την αποξήρανση. Χωρίς αυτό, τα φυτά δεν θα μπορούσαν να ζήσουν στη γη. Αλλά η σκληρότητα της σποροπολενίνης το έκανε δύσκολο να μελετηθεί, ακόμη και δεκαετίες αφότου είχαν μπερδευτεί οι μοριακές δομές της κυτταρίνης, της λιγνίνης και άλλων βασικών φυτικών πολυμερών. «Η φύση εξέλιξε τη σποροπολενίνη για να αντισταθεί σε οποιαδήποτε επίθεση», είπε ο Λι. "Συμπεριλαμβανομένων και από επιστήμονες."

Πρόσφατα, ωστόσο, η άμυνα της σποροπυλλενίνης μπορεί να έχει ξεπεραστεί. Το 2018, ο Li και άλλοι ερευνητές στο Whitehead, με επικεφαλής τον φυτικό βιολόγο Jing-Ke Weng, δημοσίευσαν την πρώτη ολοκληρωμένη δομή σποροπολενίνης. Μεταγενέστερες εργασίες της ομάδας, μερικές από τις οποίες δεν έχουν ακόμη δημοσιευθεί, συμπλήρωσαν περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο διάφορες ομάδες φυτών βελτίωσαν αυτή τη δομή για να καλύψουν καλύτερα τις ανάγκες τους. Η προτεινόμενη δομή τους και η βελτιωμένη άποψη της σποροπολλενίνης που προσφέρει δεν είναι χωρίς αμφισβήτηση, αλλά έχει ξεκαθαρίσει τον ουσιαστικό ρόλο του μορίου στο να βοηθά τα φυτά να κατακτήσουν τη γη.

Το αδρανές αίνιγμα

Όλα τα φυτά σποράς παράγουν γύρη. άλλα φυτά της γης, όπως τα βρύα, παράγουν σπόρια. Μεταφέροντας τη μισή γενετική πληροφορία που χρειάζονται τα φυτά για να αναπαραχθούν, η γύρη και τα σπόρια κινούνται στο περιβάλλον στον άνεμο ή σε ένα χρήσιμο ζώο, για να φτάσουν σε άλλο φυτό του είδους τους και να γονιμοποιήσουν το ωάριο του. Αλλά στην πορεία, η γύρη και τα σπόρια πρέπει να αντιμετωπίσουν κινδύνους που κυμαίνονται από την αφυδάτωση έως τις υπεριώδεις ακτίνες του ήλιου έως τα πεινασμένα έντομα. Από τότε που τα φυτά βρήκαν για πρώτη φορά αγορά στη γη πριν από περίπου 470 εκατομμύρια χρόνια, η διατήρηση των γενετικών πληροφοριών στη γύρη και τα σπόρια ασφαλή κατά τη διάρκεια του ταξιδιού τους προς τη γονιμοποίηση ήταν ζωτικής σημασίας.

Η κύρια στρατηγική που χρησιμοποιούν τα φυτά για να προστατεύσουν αυτό το DNA είναι να το εγκλωβίσουν σε ένα εξειδικευμένο κέλυφος σποροπολλενίνης, το οποίο είναι αδιαπέραστο από τα στοιχεία και ένα από τα πιο σκληρά υλικά που παράγονται από οποιοδήποτε ζωντανό ον. Έχει βρεθεί άθικτο σε βράχους μισού δισεκατομμυρίου ετών. Μια εργασία του 2016 διαπίστωσε ότι λόγω της στιβαρότητας της σποροπολλενίνης, τα σπόρια διατήρησαν τη σταθερότητά τους σε αδαμαντοφόρους άκμονες σε πιέσεις 10 gigapascal, ή 725 τόνους ανά τετραγωνική ίντσα.

Οι ερευνητές γνώριζαν και αναρωτιόντουσαν για τη σποροπολενίνη τουλάχιστον από το 1814. Παρατήρησαν ότι ακόμα και μετά τη χημική διάλυση του υπόλοιπου κόκκου ή σπορίου γύρης, παρέμενε πάντα μια παράξενη ουσία. Για το μεγαλύτερο μέρος του επόμενου αιώνα, όσοι το μελετούσαν σε σπόρια και γύρη εργάζονταν χωριστά, αναφερόμενοι σε αυτό αποκλειστικά είτε ως σπορονίνη είτε ως γύρη. Ονομάστηκε σποροπολενίνη το 1931 για να κατευνάσει και τις δύο κοινότητες.

Για δεκαετίες στη συνέχεια, η γνώση για το μόριο τελείωσε σε μεγάλο βαθμό με το όνομα. Οι ερευνητές αναγνώρισαν ότι η σποροπυλλενίνη θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα φυτά κατέκτησαν σχεδόν κάθε βιότοπο στη Γη και ονειρευόντουσαν να χρησιμοποιήσουν το υλικό για τα πάντα, από την επικάλυψη του κύτους των πλοίων μέχρι την προστασία των εύθραυστων πρωτεϊνών στα στοματικά εμβόλια. Αλλά η απόκτηση της δομής και της χημικής σύστασης της σποροπολενίνης ήταν απαραίτητη προϋπόθεση για οποιαδήποτε περαιτέρω εργασία και η σποροπολενίνη ματαίωσε κάθε προσπάθεια.

Οι χημικοί συνήθως καθορίζουν τη δομή ενός σύνθετου μορίου διασπώντας το στα συστατικά του μέρη, βρίσκοντας τη δομή αυτών και στη συνέχεια συνενώνοντάς τα ξανά μεταξύ τους. Αλλά η σποροπολενίνη ήταν πολύ αδρανής για να την αφομοιώσουν οι συνήθεις χημικοί παράγοντες. Ξεκινώντας από τη δεκαετία του 1960, οι νέες βιοχημικές μέθοδοι και η φασματομετρία μάζας σημείωσαν κάποια πρόοδο στη δομή και τη χημική σύνθεση, και οι βιολόγοι αργότερα συνήγαγαν ακόμη και κάποιες λεπτομέρειες από τη γνώση των γονιδίων και των ενζυματικών διεργασιών που συνθέτουν σποροπολενίνη.

Καμία από αυτές τις μεθόδους, ωστόσο, δεν θα μπορούσε να δώσει μια πλήρη εικόνα του μορίου. Η σποροπολενίνη φαινόταν να έχει δύο παράλληλες ραχοκοκαλιές φτιαγμένες από μόρια που ονομάζονται πολυκετίδια, σε αντίθεση με τις ραχοκοκαλιές του σακχάρου στη διπλή έλικα του DNA. Αυτές οι ραχοκοκαλιές φάνηκε να συνδέονται με ένα πλέγμα συνδέσμων διαφορετικών τύπων. Αλλά αυτό το σκίτσο ήταν ελλιπές και ορισμένα από τα ευρήματα από τις βιοχημικές και γενετικές μεθόδους έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους.

"Το μόνο πράγμα στο οποίο συμφώνησαν όλοι ήταν η εμπειρική φόρμουλα για τη σύνθεση άνθρακα, υδρογόνου, οξυγόνου", δήλωσε ο Joseph Banoub, καθηγητής χημείας και βιοχημείας στο Memorial University of Newfoundland στον Καναδά.

Pitch Pine Perfect

Ο Λι άρχισε να εργάζεται με τη σποροπυλλενίνη αμέσως μετά την ένταξή του στο εργαστήριο του Weng στο Ινστιτούτο Whitehead ως μεταδιδακτορικός το 2014. Στη γειτονιά του Κέιμπριτζ της πλατείας Kendall, όπου η βιοϊατρική έρευνα είναι η κύρια εμμονή, το εργαστήριο είναι ένα από τα λίγα μέρη όπου οι άνθρωποι μελετούν φυτά. με ερευνητική εστίαση στον γαλαξία των βοτανικών μορίων που παραμένουν αχαρακτήριστα.

Η σποροπολενίνη ήταν μια ακαταμάχητη πρόκληση για τον Λι. Η λειτουργία του ήταν ευρέως γνωστή και τα γονίδια για την παραγωγή του ήταν σε κάθε φυτό που παράγει σπόρους και σπόρους, γεγονός που υπονοούσε ότι η σποροπολενίνη ήταν μια βασική προσαρμογή που επέτρεπε στα φυτά να ζουν στην ξηρά στην αρχή της φυγής τους από τους ωκεανούς. (Ορισμένα είδη φυκών παράγουν επίσης μια ουσία που μοιάζει με σποροπολενίνη, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα φυτά της ξηράς προσάρμοσαν τη βιοσύνθεση αυτού του μορίου κατά την εξέλιξή τους.) Ωστόσο, η χημεία πίσω από αυτή την ικανότητα παρέμενε θολή.

Θα ήταν ποιητικό εάν η πρώιμη εργασία του Λι για τη σποροπολενίνη είχε χρησιμοποιήσει γύρη που είχε συλλεχθεί από τα νερά της λίμνης Walden. Αλλά η ευκολία υπερίσχυσε τον ρομαντισμό:Η γύρη που μελέτησε αρχικά η ομάδα του παραγγέλθηκε από την Amazon. (Η γύρη από πεύκο πεύκου, που παράγει άφθονα τα υλικά, πωλείται ευρέως ως συμπλήρωμα υγείας.) Τα υπόλοιπα προήλθαν από το Cape Cod.

Για μήνες, ο Li και οι συνεργάτες του έκαναν δοκιμές δοκιμής και λάθους σε ενώσεις που μπορούν να αποικοδομήσουν άλλα σκληρά βιοπολυμερή. Τελικά, ανέπτυξαν μια νέα διαδικασία πολλαπλών σταδίων που θα μπορούσε να πάρει δείγματα γύρης, να τα χτυπήσει σε μια μηχανή άλεσης με σφαιρίδια και να σπάσει χημικά τα περιεχόμενα μόρια σποροπολενίνης. Το μισό από κάθε μόριο διασπάστηκε σε έξι ξεχωριστά κομμάτια που στη συνέχεια θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν με φασματομετρία μάζας.

Το άλλο μισό του μορίου, το οποίο ονόμασαν ομάδα R (για «αντίθετα»), διασπάστηκε μόνο όταν αναμειγνύεται με άλλο διαλυτικό παράγοντα. Θα μπορούσαν να έχουν μια μερική άποψη του R με αυτόν τον τρόπο, αλλά η διαδικασία υποβάθμισε άλλα χαρακτηριστικά του μορίου, έτσι η ομάδα του Li κατέφυγε σε μια πιο εξωτική τεχνολογία, τη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού στερεάς κατάστασης, για να το χαρακτηρίσει.

Τα λουλούδια έκαναν τη διαφορά

Ο καρπός αυτής της εργασίας, μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Nature Plants τον Δεκέμβριο του 2018, πρότεινε την πληρέστερη μοριακή δομή της σποροπολενίνης μέχρι σήμερα.

Στη συνομιλία, ο Λι χρησιμοποίησε τα χέρια του για να περιγράψει το περίπλοκο σχήμα της δομής. Με τον αντίχειρα και τον δείκτη του, έδειξε πώς τα αρωματικά μόρια κρέμονται από τη ραχοκοκαλιά σε εναλλασσόμενα σχήματα L. Έδειξε πώς η ραχοκοκαλιά δένεται με τους διασταυρούμενους δεσμούς στρέφοντας το ένα πεπλατυσμένο χέρι στο άλλο υπό γωνία, σαν να συμμετέχει σε κάποια παράξενη μορφή προσευχής. Αυτές οι βασικές μονάδες συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν το πλήρες κέλυφος της εξίνης, το οποίο παίρνει ριζικά διαφορετικά σχήματα σε διαφορετικά φυτά, αν και οι βασικές μοριακές υπομονάδες είναι θεμελιωδώς παρόμοιες.

Η δομή έδωσε πίστη στην ιδέα ότι η ανθεκτικότητα της σποροπολλενίνης προκύπτει από τους ποικίλους, πλεγμένους δεσμούς μεταξύ των ραχοκοκαλιών. Αυτοί οι εστερικοί και αιθερικοί δεσμοί είναι ανθεκτικοί, αντίστοιχα, σε βασικές και όξινες συνθήκες. μαζί αντιστέκονται και στα δύο. Η δομή που πρότεινε η ομάδα του Li περιλάμβανε επίσης αρκετά αρωματικά μόρια που είναι γνωστό ότι είναι ανθεκτικά στο υπεριώδες φως, τα οποία ευθύνονται για την ικανότητα της σποροπολενίνης να προστατεύει το DNA από τα στοιχεία.

"Χωρίς αυτές τις μεταβολικές καινοτομίες, τα φυτά δεν θα ήταν σε θέση να μεταναστεύσουν από το νερό στη γη εξαρχής", έγραψε ο Weng σε ένα email στο Quanta.

Πρόσφατα, ο Li και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν τη μέθοδό τους για να χαρακτηρίσουν τη σποροπυλλενίνη από περισσότερα από 100 διαφορετικά είδη φυτών που συλλέχθηκαν από βοτανικούς κήπους γύρω από τις βορειοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες. Σύμφωνα με τον Li, ο οποίος ετοιμάζεται να υποβάλει τα αποτελέσματα της μελέτης για δημοσίευση, η δομή της σποροπολενίνης ποικίλλει μεταξύ των τύπων φυτών με ένα περίεργο μοτίβο.

Βρήκαν ότι τα γυμνόσπερμα, η ομάδα των χερσαίων φυτών που περιλαμβάνει τα κυκάδια και τα κωνοφόρα όπως το πεύκο πεύκου, και τα λεγόμενα φυτά της κατώτερης γης όπως τα βρύα και οι φτέρες τείνουν να έχουν μακριές, παρόμοιες σπορογυλενίνες. Αυτό είναι λογικό γιατί αυτά τα φυτά διαχέουν τη γύρη τους ηθελημένα στον άνεμο. χρειάζονται σποροπυλλενίνη μακράς αλυσίδας για να την προστατεύσουν.

Αλλά μεταξύ των αγγειόσπερμων, ή των ανθοφόρων φυτών, η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη. Τα άνθη τους σκιάζουν τη γύρη τους από τον ήλιο και την αποξήρανση, και τα έντομα μετακινούν αποτελεσματικά τη γύρη από λουλούδι σε λουλούδι, ελαχιστοποιώντας την έκθεση σε άλλους κινδύνους. Κατά συνέπεια, τα αγγειόσπερμα δεν χρειάζονται τη σποροπυλλενίνη τους για να είναι τόσο ομοιόμορφα ανθεκτική.

Και η παραγωγή μακράς αλυσίδας σποροπολενίνης είναι μια διαδικασία έντασης ενέργειας, είπε ο Li, έτσι «όταν τα λουλούδια εξελίχθηκαν, δεν ήθελαν να παράγουν πλέον σποροπολενίνη σαν πεύκο». Σύμφωνα με τους Li και Weng, φαίνεται να έχουν εξελιχθεί σημαντικές διαφορές μεταξύ των σποροπολενινών που παράγονται από τις δύο κύριες κατηγορίες αγγειόσπερμων, τα μονοκοτυλήδονα και τα δίκοτυλα, τα οποία αποκλίνουν στις δομές των εμβρύων, στα αγγεία, στα στελέχη, στις ρίζες και στα άνθη τους.

Φυσικά, οι διακρίσεις δεν είναι απόλυτες. Ορισμένα ανθοφόρα φυτά παράγουν σποροπολενίνη με δομή που μοιάζει με πεύκο, είπε ο Li. "Ίσως, αν είχαμε άλλα 6 εκατομμύρια χρόνια, μπορεί να χάσουν τη λειτουργία αυτών", ή ίσως υπάρχουν άλλοι οικολογικοί έλεγχοι και ισορροπίες που παίζουν να διατηρούν αυτήν τη δομή σποροπολενίνης για ορισμένες ομάδες φυτών.

«Η εξέλιξη δεν είναι γραμμή», είπε ο Λι. «Όπως οι φάλαινες. Κάποια στιγμή ζούσαν στη στεριά. τώρα ζουν στον ωκεανό». Ωστόσο, οι φάλαινες εξακολουθούν να έχουν κάποια χαρακτηριστικά των ζώων της ξηράς. Ίσως κάποιες γύρες λουλουδιών διατηρούν απαρχαιωμένα ίχνη της δικής τους ιστορίας.

Το μυστηριώδες πολυμερές

Άλλοι ερευνητές φυτών συμφωνούν ότι η δομική εργασία των Li και Weng για τη σποροπολενίνη έχει βελτιώσει τις γνώσεις μας για το μόριο. Αλλά δεν είναι όλοι πεπεισμένοι ότι η πρότασή τους είναι σωστή ή ότι ολοκληρώνει την αιωνόβια αναζήτηση για τη δομή της σποροπυλλενίνης.

«Ήταν πολύ πιο ξεκάθαρο από πριν», είπε ο Zhong-Nan Yang, βιολόγος που μελετά τη σποροπολενίνη στο Normal University της Σαγκάης. «Αλλά πρέπει να επαληθευτεί». Είπε ότι ο Λι και οι συνάδελφοί του πρέπει ακόμα να προσδιορίσουν τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για τα ένζυμα που απαιτούνται για τη δημιουργία ορισμένων χαρακτηριστικών της σποροπολλενίνης του πεύκου.

Μια μελέτη του 2020 με στόχο την «απομυθοποίηση και αποκάλυψη» της μοριακής δομής της σποροπολενίνης αποτέλεσε μια πιο άμεση πρόκληση. Χρησιμοποιώντας μια σειρά μεθόδων και δουλεύοντας πάνω σε σποροπολλενίνη από βρύα κλαμπ αντί από πεύκο, η ομάδα του Banoub στο Memorial University έφτασε σε μια δομή που διέφερε κατά πολλούς σημαντικούς τρόπους από αυτή που πρότειναν οι Li και Weng. Το πιο σημαντικό, είπε ο Banoub, «Έχουμε αποδείξει ότι δεν υπάρχουν αρωματικές ενώσεις στη σποροπολενίνη». Η διαφορά, πιστεύει, θα μπορούσε να εξηγηθεί από τις διαφορές μεταξύ της σποροπολλενίνης στο πεύκο και του βρύου.

«Η προσωπική μου άποψη είναι ότι δεν είναι σωστές», είπε ο Λι, αλλά προτιμά να μην σχολιάσει περαιτέρω μέχρι να είναι έτοιμα για δημοσίευση κάποια σχετικά αποτελέσματα από το εργαστήριό του.

«Είναι ακόμα ένα πολύ μυστηριώδες πολυμερές», σχολίασε η Teagen Quilichini, φυτοβιολόγος στο Εθνικό Συμβούλιο Ερευνών του Καναδά που έχει μελετήσει τη σποροπολενίνη, σε ένα email. " Παρά τα όσα προτείνουν ορισμένες αναφορές."

Σκληρό αλλά ακόμα βρώσιμο;

Παρά τις διαμάχες σχετικά με τη δομή τους για τη σποροπολενίνη, ο Li και άλλοι στο εργαστήριο Weng προχώρησαν σε ένα άλλο εξελικτικό ερώτημα:Έχει βρει η φύση πώς να αφαιρέσει αυτό το σχεδόν άφθαρτο υλικό που συγκέντρωσε;

Καθώς περπατούσε γύρω από τη λίμνη Walden αναζητώντας άλλες εισόδους επικαλυμμένες με γύρη, ο Λι συνέκρινε τη σποροπολενίνη με τη λιγνίνη, το φυτικό πολυμερές που ενισχύει το ξύλο και το φλοιό. Αφού τα ξυλώδη φυτά εξελίχθηκαν για πρώτη φορά πριν από περίπου 360 εκατομμύρια χρόνια, το γεωλογικό αρχείο δείχνει μια αφθονία απολιθωμένης λιγνίνης σε στρώματα για δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Τότε ξαφνικά πριν από περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια, η λιγνίνη εξαφανίζεται. Η εξαφάνισή του σηματοδοτεί τη στιγμή που ένας μύκητας που ονομάζεται white rot εξέλιξε ένζυμα ικανά να αποικοδομήσουν τη λιγνίνη και έφαγε μεγάλο μέρος της πριν προλάβει να απολιθωθεί.

Η σποροπολενίνη, σύμφωνα με τον Li, πρέπει επίσης να έχει μύκητα ή άλλο μικρόβιο ικανό να τη διασπάσει. Διαφορετικά θα πνιγόμασταν στα πράγματα. Οι αρχικοί υπολογισμοί του Li είναι ότι 100 εκατομμύρια τόνοι σποροπολλενίνης παράγονται στα δάση κάθε χρόνο. Αυτό δεν λαμβάνει καν υπόψη τη σποροπολενίνη που παράγεται από τα χόρτα. Αν δεν το τρώει τίποτα, πού πάει;

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, ως πηγή για το τελευταίο του δείγμα γύρης, ο Li επέλεξε να εγκαταλείψει το Amazon Prime για μια μέρα στο Walden Pond. Παρατηρήσεις από την ομάδα του υποδηλώνουν ότι ορισμένοι μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται σε τρυβλία Petri μπορούν να επιβιώσουν όταν τρέφονται μόνο με σποροπυλλενίνη και άζωτο. Τα δείγματα από το Walden, τα οποία είναι φυσικά γεμάτα μικροβιακές κοινότητες λιμνών, θα βοηθήσουν τον Λι να προσδιορίσει εάν οι πληθυσμοί μυκήτων και άλλων μικροβίων στη φύση μπορούν να ξεκλειδώσουν τα θρεπτικά συστατικά στα φαινομενικά άθραυστα μόρια της σποροπολενίνης.

Καθώς τσιμπολογούσαμε φύκια και ράβδους granola στην άκρη της λίμνης, ήταν εύκολο να δούμε την όλη κατάσταση από την οπτική γωνία των μυκήτων. Η φύση απεχθάνεται να σπαταλά ένα γεύμα — ακόμα και ένα τόσο δύσκολο στο μάσημα.

Διόρθωση:20 Ιουλίου 2022
Ο κόκκος της γύρης στην αρχική μικρογραφία αρχικά αναγνωρίστηκε εσφαλμένα ως ελιά. Είναι ραπανάκι.