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であり研究科学者である Fu-Shuang Li は、研究のために花粉が必要になったとき、どこに行けばよいかを知っていました。毎年春になると、コンコードのウォールデン池に鳴り響く松の木が金色の花粉の雲を放ち、水を覆い、岸に向かって銀河の渦に集まります。 1840 年代に池のそばに 2 年間住んでいたヘンリー デビッド ソローは、この経験についての有名な説明を、非常に多くの花粉について説明することで締めくくっています。
黒いパーカーとスウェットパンツ姿で池の縁にしゃがみ込んだリーは、試験管に浸し、数百ミリリットルの水を汲み上げ、花粉やその中で成長しているものをすべて含んだ.樽いっぱいにはほど遠い量だったが、花粉の外殻の分子構造を研究するリーの努力には十分だった。スポロポレニンと呼ばれる殻を構成する物質は非常に丈夫で、植物界のダイヤモンドと呼ばれることもあります.
1 世紀以上にわたり、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根拠を理解しようと努めてきました。スポロポレニンは、光、熱、寒さ、乾燥から花粉と胞子の DNA を保護します。それがなければ、植物は陸上で生きることができません。しかし、セルロース、リグニン、その他の基本的な植物ポリマーの分子構造が解明されてから数十年が経過した後でも、スポロポレニンの強靭さは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 は言います。 「科学者によるものも含む」
しかし、最近では、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、植物生物学者の Jing-Ke Weng が率いる Whitehead の Li と他の研究者は、スポロポレニンの最初の完全な構造を発表しました。チームによるその後の作業は、まだ公開されていないものもあり、植物のさまざまなグループがその構造をどのように微調整して、ニーズをよりよく満たすかについての詳細を埋めました.彼らが提案し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に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重要な役割を明らかにしました.
不活性な謎
すべての種まき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。植物が繁殖するのに必要な遺伝情報の半分を運ぶ花粉と胞子は、風や役に立つ動物に乗って環境中を移動し、同種の別の植物に到達して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、脱水から太陽の紫外線、空腹の昆虫まで、さまざまな危険と戦わなければなりません.約 4 億 7000 万年前に植物が最初に陸上で購入されて以来、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は非常に重要でした.
そのDNAを保護するために植物が採用する主な戦略は、それをスポロポレニンの特殊な殻に入れることです. 5億年前の岩石から無傷で発見されています。 2016 年の論文では、スポロポレニンの堅牢性により、胞子は 10 ギガパスカル (1 平方インチあたり 725 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年からスポロポレニンについて知り、疑問に思っていました.彼らは、花粉粒または胞子の残りが化学的に溶解された後でも、奇妙な物質が常に残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、それをスポロニンまたは花粉のいずれかのみと呼んで別々に研究しました. 1931 年に両方のコミュニティをなだめるために、スポロポレニンと呼ばれました。
その後何十年もの間、分子に関する知識はほとんど名前で終わっていました。研究者たちは、スポロポレニンが、植物が地球上のほぼすべての生息地をどのように征服したかを理解するための鍵に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、あらゆることにこの材料を使用することを夢見ていました.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、今後の研究の前提条件であり、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、それらをつなぎ合わせることによって、そ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 年代以降、新しい生化学的方法と質量分析法により、構造と化学組成がある程度進歩し、生物学者は後に、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することさえしました.
しかし、これらの方法のいずれも、分子の全体像を提供することはできませんでした。スポロポレニンは、ポリケチドと呼ばれる分子でできた 2 つの平行した主鎖を持っているようで、DNA の二重らせんの糖の主鎖とは異なります。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.
「誰もが合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、カナダのニューファンドランド記念大学の化学と生化学の教授であるジョセフ バヌーブは言いました。
ピッチ パイン 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の研究室にポスドクとして参加した直後に、スポロポレニンの研究を始めました。生物医学研究が主な関心事であるケンドール スクエアのケンブリッジ地区では、研究室は人々が植物を研究する数少ない場所の 1 つです。特徴付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 にとって抗しがたい挑戦でした。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および胞子を生成する植物にありました。これは、スポロポレニンが、海から脱出する最初の段階で植物が陸上で生きることを可能にする基本的な適応であることを意味していました. (藻類の一部の種はスポロポレニンのような物質も作ります。これは、陸上植物が進化の過程でその分子の生合成に適応したことを示唆しています。)しかし、その能力の背後にある化学はあいまいなままでした.
リーのスポロポレニンに関する初期の研究で、ウォールデン池の水から集めた花粉を使用していたら、詩的だったでしょう。しかし、利便性はロマンスよりも優先されました。彼のチームが最初に研究した花粉は、Amazon から注文されたものでした。 (この原料を豊富に生産するピッチマツからの花粉は、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。
何ヶ月もの間、Li と彼の共同研究者たちは、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、それらをボールミリングマシンで叩き、含まれるスポロポレニン分子を化学的に破砕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、6 つの異なる断片に分解され、質量分析によって特徴付けられる可能性があります。
彼らがR基（「難治性」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場合にのみ分解した.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、このプロセスは分子の他の特徴を劣化させたので、Li のグループはそれを特徴付けるために、より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.
花が違いを生んだ
その成果、Nature Plants に掲載された論文 2018 年 12 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、リーは手を使って構造の複雑な形状を説明しました。親指と人差し指を使って、芳香族分子が交互に L 字型に骨格からぶら下がっている様子を示しました。彼は、奇妙な形の祈りをするかのように、片方の平らな手を斜めにもう一方の手に差し向けることによって、どのようにバックボーンが架橋結合で結合されているかを示しました.これらの基本単位は結合して完全な外皮を形成し、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、異なる植物では根本的に異なる形状をとります.
この構造は、スポロポレニンの耐久性が主鎖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。リー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おり、これが要素から 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移動できなかっただろう」と Weng は Quanta への電子メールで書いている。
最近、Li と彼の同僚は、米国北東部周辺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スポロポレニンを特徴付けるために彼らの方法を使用しました。この研究結果を出版する準備をしている Li によると、スポロポレニンの構造は、植物の種類によって興味深いパターンで異なります。
彼らは、ソテツや松のような針葉樹を含む陸上植物グループである裸子植物と、コケやシダのようないわゆる低地植物が、長く類似したスポロポレニンを持つ傾向があることを発見しました。これらの植物は花粉を風に乗って勝手に散布するため、これは理にかなっています。それを保護するために長鎖スポロポレニンが必要です。
しかし、被子植物、つまり顕花植物の間では、状況はより複雑です。花は太陽と乾燥から花粉を覆い、昆虫は花粉を花から花へ効率的に移動させ、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均一に堅牢である必要はありません。
また、長鎖スポロポレニンの生成はエネルギー集約的なプロセスであるため、「花が進化したとき、松に似たスポロポレニンを生成することはもう望んでいませんでした」と Li 氏は述べています。 Li と Weng によると、被子植物の 2 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産生されるスポロポレニンの間には、胚、脈管構造、茎、根、および花の構造が異なる大きな違いが進化したようです。
もちろん、区別は絶対的なものではありません。顕花植物の中には、マツのような構造を持つスポロポレニンを生成するものもある、と Li は述べた。 「もしかしたら、あと 600 万年もあれば、それらの機能が失われるかもしれません」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ために、他の生態学的抑制と均衡が働いているのかもしれません。
「進化は線ではありません」とリーは言いました。 「クジラのように。ある時点で、彼らは陸に住んでいました。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上動物の特徴があります。おそらくいくつかの花粉は、それ自体の歴史の時代遅れの痕跡を保持しています.
謎のポリマー
他の植物研究者も、スポロポレニンに関する Li と Weng の構造研究が分子の知識を向上させたことに同意しています。しかし、彼ら全員が、彼らの提案が正しい、またはスポロポレニンの構造を求める 100 年にわたる調査が終了したと確信しているわけではありません.
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の Zhong-Nan Yang 氏は、次のように述べています。 「しかし、それは検証する必要があります。」彼は、リーと彼の同僚は、松スポロポレニンの特定の特徴を作るために必要な酵素の原因となる遺伝子を特定しなければならないと述べた.
スポロポレニンの分子構造を「わかりやすく説明する」ことを目的とした2020年の研究は、より直接的な課題を提起しました.一連の方法を使用し、マツではなくコケからスポロポレニンに取り組んだメモリアル大学の Banoub 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、「スポロポレニン内に芳香族化合物が存在しないことを証明したことです」とバヌーブ氏は述べています。この不一致は、マツとコケ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出版される準備が整うまで、それ以上のコメントは差し控えたいと考えています.
スポロポレニンを研究しているカナダ国立研究評議会の植物生物学者、Teagen Quilichini 氏は、電子メールで次のように述べています。 「 一部のレポートが示唆していることにもかかわらず。」
固くても食べられる?
スポロポレニンの構造をめぐる論争にもかかわらず、Weng 研究室の Li と他の研究者たちは別の進化論的問題に移りました:自然は、それがまとめたこのほぼ破壊不可能な物質を分解する方法を見つけたのでしょうか?
花粉で覆われた他の入り江を探して Walden Pond の周りをハイキングしながら、Li はスポロポレニンを、木材や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 3 億 6000 万年前に最初に進化した後、地質学的記録は、数千万年にわたって地層に化石化したリグニンが豊富にあったことを示しています。そして約3億年前に突如、リグニンが消失。その消失は、白腐病と呼ばれる菌類がリグニンを分解できる酵素を進化させ、化石化する前にその多くを食べた瞬間を示しています.
スポロポレニンには、それを分解できる真菌または他の微生物も含まれているに違いない、と Li は推論した。そうでなければ、私たちは物事に溺れてしまうでしょう. Li の封筒の裏側の計算では、毎年 1 億トンのスポロポレニンが森林で生成されます。それは、草によって生成されるスポロポレニンを説明していません.何も食べていないとしたら、一体どこへ行くのでしょうか?
これが、彼の最新の花粉サンプルの情報源として、Li が Amazon Prime をやめて Walden Pond での 1 日を選んだ理由です。彼のチームによる観察は、ペトリ皿で培養された一部の微生物は、スポロポレニンと窒素だけを与えられた場合でも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 Walden からのサンプルは、Li が野生の菌類や他の微生物の集団がスポロポレニンの一見壊れにくい分子の栄養素を解き放つことができるかどうかを判断するのに役立つはずです.
池のほとりで海苔やグラノーラバーをつまみ食いしていると、菌の視点から全体の様子がよくわかりました。自然は食事を無駄にすることを嫌います — 噛むのが難しい食事でも。
訂正:2022 年 7 月 20 日
冒頭の顕微鏡写真の花粉は、もともとオリーブと誤認されていました。大根です。
