매사추세츠 주 케임브리지에있는 화이트 헤드 연구소 (Whitehead Institute)의 생화학 자이자 연구 과학자 인 Fu-Shuang Li가 그의 연구를 위해 꽃가루가 필요했을 때, 그는 어디로 가야할지 알았습니다. 매년 봄마다 콩코드에서 월든 연못이 울리는 피치 소나무는 물을 코팅하고 해안에 걸쳐 은하계 소용돌이에 모이는 황금 꽃가루의 구름을 방출합니다. 1840 년대 연못 옆에 2 년을 보냈던 헨리 데이비드 소로 (Henry David Thoreau)는“당신은 막사를 수집 할 수 있었을 정도로 많은 꽃가루를 묘사함으로써 유명한 경험에 대한 그의 경험을 마무리합니다.”
검은 까마귀와 스웨트 팬츠로 연못 가장자리에 웅크 리고 Li는 테스트 튜브에 담그고 수백 밀리리터의 물을 뽑아 꽃가루와 그 밖의 자란 모든 것을 뽑았습니다. 그것은 물건의 막사와는 거리가 멀었지만, Pollen의 외부 껍질의 분자 구조를 연구하려는 Li의 노력에 충분했습니다. Sporopollenin이라고 불리는 껍질을 구성하는 재료는 너무 힘들어 때때로 식물 세계의 다이아몬드라고 불 렸습니다.
과학자들은 1 세기 이상 스포로 폴레닌의 비교할 수없는 힘의 화학적 기초를 이해하려고 노력했습니다. Sporopollenin은 꽃가루의 DNA와 빛, 열, 감기 및 건조로 인한 포자를 보호합니다. 그것 없이는 식물은 육지에서 살 수 없을 것입니다. 그러나 Sporopollenin의 강인함은 셀룰로오스, 리그닌 및 기타 기본 식물 폴리머의 분자 구조가 당황한 지 수십 년이 지나도 연구하기가 어려웠습니다. Li는“자연은 스포로 폴레닌을 발전시켜 모든 공격에 저항했다”고 말했다. “과학자들을 포함하여.”
그러나 최근에 Sporopollenin의 방어가 극복되었을 수 있습니다. 2018 년에 Plant Biologist Jing-Ke Weng이 이끄는 Li와 Whitehead의 다른 연구자들은 Sporopollenin의 첫 번째 완전한 구조를 발표했습니다. 그 중 일부는 아직 출판되지 않은 팀의 후속 작업은 다양한 식물 그룹이 어떻게 자신의 요구를 더 잘 충족시키기 위해 그 구조를 미세 조정했는지에 대한 자세한 내용을 채웠습니다. 그들의 제안 된 구조와 그것이 제공하는 스포로 폴레 닌의 개선 된 견해는 논쟁의 여지가 없지만 식물이 땅을 정복하는 데 도움이되는 분자의 필수 역할을 명확히했다.
.불활성 수수께끼
모든 파종 식물은 꽃가루를 만듭니다. 이끼와 같은 다른 육상 식물은 포자를 생산합니다. 식물이 재생산 해야하는 유전자 정보의 절반을 가지고 다니고 꽃가루와 포자는 바람이나 도움이되는 동물의 환경을 통해 종의 다른 식물에 도달하고 달걀 세포를 수정합니다. 그러나 그 과정에서 꽃가루와 포자는 탈수에서 태양의 자외선, 배고픈 곤충에 이르기까지 다양한 위험과 싸워야합니다. 식물이 약 4 억 7 천만 년 전에 토지에서 처음 구매를 발견 한 이후로 수정 여행 중에 꽃가루와 포자 내에 유전자 정보를 안전하게 유지하는 것이 매우 중요했습니다.
식물이 DNA를 보호하기 위해 사용하는 주요 전략은 DNA를 스포로 폴레닌의 특수 껍질에 넣는 것입니다. 그것은 50 억 개의 바위에서 그대로 발견되었습니다. 2016 년 논문에 따르면 스포로 폴레닌의 견고성으로 인해 포자는 10 기가 파스 칼의 압력 또는 평방 인치 당 725 톤의 압력으로 다이아몬드 모루에서 안정성을 유지 한 것으로 나타났습니다.
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연구원들은 적어도 1814 년 이래로 스포로 폴레닌에 대해 알고 궁금해했다. 그들은 꽃가루 곡물이나 포자의 나머지 부분이 화학적으로 용해 된 후에도 이상한 물질이 항상 남아 있음을 관찰했다. 다음 세기의 대부분 동안 포자와 꽃가루에서 연구하는 사람들은 스포로노 또는 꽃가루로만 언급하면서 별도로 작동했습니다. 1931 년에 두 지역 사회를 달래기 위해 Sporopollenin이라고 불렀습니다.
그 후 수십 년 동안 분자에 대한 지식은 크게 이름으로 끝났습니다. 연구원들은 스포로 폴레닌이 식물이 지구의 거의 모든 서식지를 정복 한 방법을 이해하는 데 중요하다는 것을 인식했으며, 선박의 선체를 코팅하는 것부터 구강 백신의 깨지기 쉬운 단백질 보호에 이르기까지 모든 것에 재료를 사용하는 꿈을 꾸었습니다. 그러나 Sporopollenin의 구조와 화학적 조성을 얻는 것은 더 이상의 작업을위한 전제 조건이었고, Sporopollenin은 모든 노력을 좌절 시켰습니다.
화학자들은 일반적으로 복잡한 분자의 구조를 구성 부분으로 분해하여 구조의 구조를 찾은 다음 다시 조각함으로써 복잡한 분자의 구조를 결정합니다. 그러나 Sporopollenin은 일반적인 화학 물질이 그것을 소화하기에는 너무 불활성이었습니다. 1960 년대부터 새로운 생화학 적 방법과 질량 분석법은 구조와 화학적 조성에 약간의 진전을 이루었으며, 나중에 생물 학자들은 스포 폴레닌을 합성하는 유전자와 효소 과정에 대한 지식에서 일부 세부 사항을 추론했습니다.
.그러나 이러한 방법 중 어느 것도 분자의 전체 그림을 전달할 수 없었습니다. Sporopollenin은 DNA의 이중 나선의 설탕 백본과는 달리 폴리 케 타이드라고 불리는 분자로 만들어진 2 개의 병렬 골격을 갖는 것처럼 보였다. 이 백본은 다른 유형의 연결을 직조하여 연결된 것으로 보입니다. 그러나이 스케치는 불완전했고 생화학 적 및 유전 적 방법의 일부 발견은 서로 상충되었습니다.
캐나다 뉴 펀들 랜드 기념 대학의 화학 및 생화학 교수 인 조셉 바누브 (Joseph Banoub)는“모두가 동의 한 유일한 것은 탄소, 수소, 산소 구성을위한 경험적 공식이었습니다.
피치 소나무 완벽한
Li는 2014 년에 Whitehead Institute에서 Whitehead Institute에서 Weng의 실험실에 합류 한 직후 Sporopollenin에서 작업을 시작했습니다. Biomedical Research의 주요 강박 관념 인 Kendall Square의 Cambridge 인근에서 캠브리지 인근에서 실험실은 식물을 연구하는 몇 안되는 곳 중 하나입니다.
Sporopollenin은 Li에게는 참을 수없는 도전이었습니다. 그것의 기능은 잘 알려져 있었고, 그것을 만들기위한 유전자는 모든 종자 및 포자 생산 식물에 있었으며, 이는 스포 폴레닌이 바다에서 탈출이 시작될 때 식물이 땅에 살 수있는 기본적인 적응임을 암시했다. (일부 조류 종은 또한 스포로 폴레닌 유사 물질을 만들어 내고, 이는 육상 식물이 진화 동안 그 분자의 생합성을 적응 시켰음을 시사한다.) 그러나 그 능력의 배양은 흐릿하게 남아 있었다.
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Li의 Sporopollenin에 대한 Li의 초기 작업이 Walden Pond의 물에서 수집 된 꽃가루를 사용했다면 그것은 시적이었을 것입니다. 그러나 편의성은 로맨스를 능가했다 :그의 팀이 처음 연구 한 꽃가루는 아마존에서 주문했다. (물건을 잘 생산하는 Pitch Pine의 꽃가루는 건강 보충제로 널리 판매됩니다.) 나머지는 Cape Cod에서 나왔습니다.
몇 달 동안 Li와 그의 협력자들은 다른 힘든 바이오 폴리머를 분해 할 수있는 화합물에 대한 시험 및 오류 테스트를 실행했습니다. 결국, 그들은 꽃가루 샘플을 가져 와서 볼 밀링 머신에 뿌려서 함유 된 스포로 폴레닌 분자를 화학적으로 골절 할 수있는 새로운 다단계 공정을 개발했습니다. 각 분자의 절반은 질량 분석법으로 특징 지어 질 수있는 6 개의 별개의 조각으로 분해됩니다.
분자의 나머지 절반은 R 그룹 (“Recalcitrant”용)이라고 불렀으며 다른 용해제와 혼합 될 때만 무너졌습니다. 그들은 이런 식으로 r을 부분적으로 볼 수 있었지만 과정은 분자의 다른 특징을 저하 시켰으므로 Li의 그룹은보다 이국적인 기술, 고체 핵 자기 공명 분광법에 의지하여 그것을 특성화했습니다.
.꽃은 차이를 만들었습니다
그 작품의 열매, 자연 식물에 출판 된 논문 2018 년 12 월, 현재까지 스포로 폴레닌의 가장 완전한 분자 구조를 제안했습니다.
대화에서 Li는 손을 사용하여 구조의 복잡한 모양을 설명했습니다. 그의 엄지 손가락과 집게 손가락으로, 그는 방향족 분자가 어떻게 Backbone을 번갈아 가며 백본에 매달린 방법을 보여 주었다. 그는 이상한 형태의기도에 참여하는 것처럼 한 평평한 손을 다른 각도로 지적함으로써 골격이 어떻게 가교와 어떻게 결합되어 있는지 보여 주었다. 이 기본 유닛은 서로 연결되어 완전한 exine 쉘을 형성하는데, 이는 기본 분자 서브 유닛이 근본적으로 유사하지만
.이 구조는 스포로 폴레닌의 단단함이 백본 사이의 다양하고 꼰 연결로부터 발생한다는 생각에 신뢰를 주었다. 이들 에스테르 및 에테르 연결은 각각 기본 및 산성 조건에 내성이다; 함께 그들은 둘 다에 저항합니다. Li의 그룹이 제안한 구조에는 자외선에 내성이있는 것으로 알려진 몇 가지 방향족 분자가 포함되어 있으며, 이는 스포 폴레닌의 원소로부터 DNA를 보호하는 능력을 설명했습니다.
Weng은 Quanta에게 이메일로 썼다.
최근 Li와 그의 동료들은 그들의 방법을 사용하여 미국 북동부 주변의 식물원에서 수집 한 100 개 이상의 다양한 육상 식물 종에서 스포로 폴레닌을 특성화했습니다. 출판 연구 결과를 제출할 준비를하고있는 Li에 따르면, 스포로 폴레닌의 구조는 호기심 많은 패턴으로 식물 유형에 따라 다릅니다.
그들은 체육관, 피치 소나무와 같은 세이 카드 및 침엽수를 포함하는 육상 식물 그룹과 이끼 및 양치류와 같은 소위 하위 육상 식물이 길고 비슷한 스포로 폴렌 닌을 갖는 경향이 있음을 발견했습니다. 이 식물들은 바람에 그들의 꽃가루를 윌리 니길을 전파하기 때문에 이것은 의미가 있습니다. 그들은 그것을 보호하기 위해 장쇄 스포로 폴레닌이 필요합니다.
그러나 Angiosperms 또는 개화 식물들 사이에서 상황이 더 복잡합니다. 그들의 꽃은 태양과 건조로부터 꽃가루를 가리고 곤충은 꽃가루가 꽃에서 꽃으로 효율적으로 움직여 다른 위험에 대한 노출을 최소화합니다. 결과적으로, 혈관 확장은 스포로 폴레닌이 균일하게 견고 할 필요가 없습니다.
Li는 장쇄 스포로 폴레닌을 만드는 것은 에너지 집약적 인 과정이라고 말했다.“꽃이 진화 할 때 더 이상 소나무 같은 스포로 폴레닌을 생산하고 싶지 않았다”고 Li는 말했다. Li와 Weng에 따르면, 배아, 혈관 구조, 줄기, 뿌리 및 꽃의 구조에서 분기되는 두 가지 주요 범주의 Angiosperms, Monocots 및 Dicots에 의해 생성 된 스포로 폴렌 닌 사이에 상당한 차이가 진화 한 것으로 보인다.
.물론 차이점은 절대적이지 않습니다. 일부 개화 식물은 소나무 같은 구조를 가진 스포로 폴레닌을 생산한다고 Li는 말했다. “아마도 우리가 6 백만 년이 더 있다면, 그 기능을 잃을 수도 있고, 아마도 특정 식물의 식물에 대한 스포 폴레닌 구조를 보존하는 다른 생태 점검과 균형이있을 수도 있습니다.
.Li는“진화는 선이 아닙니다. “고래처럼. 어느 시점에서 그들은 땅에 살았습니다. 이제 그들은 바다에 산다.” 그러나 고래에는 여전히 땅이 많은 동물 특성을 가지고 있습니다. 아마도 일부 꽃 꽃가루는 자신의 역사의 쓸모없는 흔적을 유지합니다.
신비한 폴리머
다른 식물 연구자들은 Sporopollenin에 대한 Li와 Weng의 구조 작업이 분자에 대한 우리의 지식을 향상 시켰다는 데 동의합니다. 그러나 그들 모두가 그들의 제안이 옳다는 것이 설득되지 않았거나 스포로 폴레 닌의 구조에 대한 세기 길이의 검색을 마치는 것은 아닙니다.
상하이 정상 대학에서 스포 폴레닌을 연구하는 생물학자인 징안 양 (Zhong-Nan Yang)은“이전보다 훨씬 더 명확했다. "하지만 확인해야합니다." 그는 Li와 그의 동료들은 여전히 소나무 스포 폴레닌의 특정 특징을 만드는 데 필요한 효소를 담당하는 유전자를 식별해야한다고 말했다.
.2020 년 연구에 따르면 스포로 폴레닌의 분자 구조는“탈신 및 풀림”을 목표로 한 2020 년 연구는보다 직접적인 도전을 제기했다. Memorial University의 Banoub 그룹은 소나무가 아닌 Club Moss의 Sporopollenin을 사용하고 Li와 Weng이 제안한 것과는 여러 가지 중요한 방식으로 다른 구조에 도착했습니다. 가장 중요한 것은 Banoub가 말했다. 그는 불균형은 소나무와 클럽 이끼의 스포로 폴레닌의 차이로 설명 될 수 있다고 생각한다.
Li는“내 개인적인 견해는 정확하지 않다는 것입니다. 그러나 그는 실험실의 관련 결과가 출판 될 준비가 될 때까지 더 이상 언급하지 않는 것을 선호합니다.
.캐나다 국립 연구위원회 (National Research Council)의 공장 생물 학자 인 티겐 퀼 리치 니 (Teagen Quilichini)는“이것은 여전히 신비한 폴리머입니다. “ 일부 보고서가 제안한 내용에도 불구하고.”
거치하지만 여전히 식용?
Sporopollenin에 대한 구조에 대한 논쟁에도 불구하고 Li와 Weng Lab의 다른 사람들은 또 다른 진화론적인 질문으로 넘어갔습니다. 자연이 결합 할 수없는이 파괴 할 수없는 재료를 분해하는 방법을 알아 냈습니까?
그는 다른 꽃가루로 코팅 된 유입구를 찾아 Walden Pond 주위를 하이킹하면서 Sporopollenin을 나무와 나무를 강화시키는 식물 중합체 인 Lignin과 비교했습니다. 우디 식물이 약 3 억 6 천만 년 전에 진화 한 후, 지질 기록은 수천만 년 동안 지층에서 화석화 된 리그닌의 풍부함을 보여줍니다. 약 3 억 년 전에 갑자기 리그닌이 사라집니다. 그것의 실종은 흰색 부패라는 곰팡이가 리그닌을 분해 할 수있는 진화 된 효소를 진화하고 화석을 화석하기 전에 많은 것을 먹었을 때 순간을 나타냅니다.
Li 추론은 Sporopollenin in은 또한 곰팡이 또는 다른 미생물을 분해 할 수 있어야합니다. 그렇지 않으면 우리는 물건에 익사했습니다. Li의 대대적 인 계산은 매년 1 억 톤의 스포로 폴레닌이 숲에서 생산된다는 것입니다. 그것은 잔디에서 생산 된 스포로 폴레닌을 설명조차하지 않습니다. 아무것도 먹지 않으면 어디로 가는가?
이것이 그의 최신 꽃가루 샘플의 출처로서 Li는 Walden Pond에서 하루를 선호하여 Amazon Prime을 포기하기로 결정했습니다. 그의 팀의 관찰에 따르면 페트리 접시에서 자란 일부 미생물은 스포로 폴레닌과 질소 외에 먹이를 먹을 때 살아남을 수 있음을 시사합니다. 자연적으로 호수 미생물 공동체로 가득 찬 Walden의 샘플은 Li가 곰팡이의 개체군과 야생의 다른 미생물이 스포 폴레닌의 겉보기에는 깨지지 않는 분자의 영양소를 잠금 해제 할 수 있는지 여부를 결정하는 데 도움이됩니다.
우리가 연못 가장자리에서 해초와 그라 놀라 바를 간식으로 곰팡이의 관점에서 모든 상황을 쉽게 알 수있었습니다. 자연은 식사를 낭비하는 것을 싫어합니다. 심지어 너무 힘든 사람도 씹기 힘들다.
수정 :2022 년 7 월 20 일
오프닝 현미경 사진에서 꽃가루의 곡물은 원래 올리브로 잘못 식별되었습니다. 그것은 무선입니다.
