Estudos estruturais do material robusto chamado esporopolenina revelam como ele tornou as plantas resistentes o suficiente para se reproduzir em terra firme.
Quando Fu-Shuang Li, bioquímico e pesquisador do Instituto Whitehead em Cambridge, Massachusetts, precisou de pólen para sua pesquisa, ele sabia exatamente para onde ir. Toda primavera, os pinheiros que cercam 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 vivendo ao lado da lagoa na década de 1840, encerra seu famoso relato da experiência descrevendo tanto pólen que “você poderia ter coletado um barril”.
Agachado na beira do lago com um moletom preto e calça de moletom, Li mergulhou em um tubo de ensaio, tirando algumas centenas de mililitros de água, carregados de pólen e o que quer que estivesse crescendo nele. Estava longe de ser um barril cheio do material, mas foi mais do que suficiente para os esforços de Li em estudar a estrutura molecular da casca externa do pólen. Chamado de esporopolenina, o material que compõe a casca é tão resistente que às vezes é chamado de diamante do mundo das plantas.
Por mais de um século, os cientistas tentaram entender a base química da força incomparável da esporopolenina. A esporopolenina protege o DNA no pólen e esporos da luz, calor, frio e dessecação. Sem ele, as plantas seriam incapazes de viver em terra. Mas a resistência da esporopolenina tornou difícil o estudo, mesmo décadas depois que as estruturas moleculares da celulose, lignina e outros polímeros vegetais básicos foram desvendadas. “A natureza desenvolveu esporopolenina para resistir a qualquer ataque”, disse Li. “Incluindo por cientistas.”
Recentemente, no entanto, 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. O trabalho subsequente da equipe, alguns deles ainda não publicados, forneceu mais detalhes sobre como vários grupos de plantas ajustaram essa estrutura para melhor atender às suas necessidades. Sua estrutura proposta e a visão aprimorada da esporopolenina que ela oferece não é isenta de controvérsia, mas esclareceu o papel essencial da molécula em ajudar as plantas a conquistar a terra.
O Enigma Inerte
Todas as plantas de semeadura produzem pólen; outras plantas terrestres, como o musgo, produzem esporos. Carregando metade da informação genética de que as plantas precisam para se reproduzir, pólen e esporos se movem pelo ambiente ao vento ou em um animal útil, para chegar a outra planta de sua espécie e fertilizar seu óvulo. Mas ao longo do caminho, pólen e esporos devem enfrentar perigos que vão desde a desidratação aos raios ultravioleta do sol até insetos famintos. Desde que as plantas encontraram a compra em terra há cerca de 470 milhões de anos, manter a informação genética dentro do pólen e dos esporos seguros durante sua jornada para a fertilização tem sido de vital importância.
A principal estratégia que as plantas empregam para proteger esse DNA é envolvê-lo em uma 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. Um artigo de 2016 descobriu que, devido à robustez da esporopolenina, os esporos mantinham sua estabilidade em bigornas de diamante a pressões de 10 gigapascals, ou 725 toneladas por polegada quadrada.
Os pesquisadores sabem 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 permanecia. 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.
Por décadas depois, o conhecimento sobre a molécula terminou em grande parte com o nome. Os pesquisadores reconheceram que a esporopolenina poderia ser a chave para entender como as plantas conquistaram quase todos os habitats da Terra e sonharam em usar o material para tudo, desde revestir os cascos de navios até proteger proteínas frágeis em vacinas orais. Mas obter a estrutura e a composição química da esporopolenina era um pré-requisito para qualquer trabalho posterior, 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 reunindo-as novamente. Mas a esporopolenina era muito inerte para que os agentes químicos usuais 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 chegaram a inferir alguns detalhes do conhecimento dos genes e processos enzimáticos que sintetizam a esporopolenina.
Asja Radja
Nenhum desses métodos, no entanto, 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. Esses backbones pareciam estar conectados por uma trama de ligações de diferentes tipos. Mas esse esboço estava incompleto e algumas das descobertas dos métodos bioquímicos e genéticos entraram em conflito umas com as outras.
“A única coisa que todos concordaram foi a fórmula empírica para a composição de carbono, hidrogênio, oxigênio”, disse Joseph Banoub, professor de química e bioquímica da Memorial University of Newfoundland, no Canadá.
Pinho Perfeito
Li começou trabalhando com esporopollenina logo depois de ingressar no laboratório de Weng no Instituto Whitehead como pós-doutorando 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 descaracterizadas.
A esporopolenina foi um desafio irresistível para Li. Sua função era bem conhecida, e os genes para fazê-la estavam em todas as plantas produtoras de sementes e esporos, o que implicava que a esporopolenina era uma adaptação básica que permitia às plantas viver em terra no início de 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 sua evolução.) No entanto, a química por trás dessa capacidade permaneceu obscura.
Teria sido poético se os primeiros trabalhos de Li sobre esporopolenina tivessem usado pólen coletado das 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 o material, 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 várias etapas que poderia coletar amostras de pólen, esmurrá-las em uma máquina de moagem de bolas e fraturar quimicamente as moléculas de esporopolenina contidas. Metade de cada molécula se decompôs em seis partes distintas que poderiam então ser caracterizadas por espectrometria de massa.
A outra metade da molécula, que eles chamaram de grupo R (de “recalcitrante”), só se decompôs quando misturada com outro agente dissolvente. Eles conseguiram obter uma visão parcial de R dessa maneira, 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 artigo publicado na Nature Plants em dezembro de 2018, propôs a estrutura molecular mais completa da esporopolenina até hoje.
Na conversa, Li usou as mãos para descrever a forma complexa da estrutura. Com o polegar e o indicador, ele mostrou como as moléculas aromáticas pendem da espinha dorsal em formas de L alternadas. Ele demonstrou como a espinha dorsal está ligada com as ligações cruzadas, apontando uma mão achatada para a outra em um ângulo, como se estivesse fazendo alguma forma estranha de oração. Essas unidades básicas se unem para formar a concha completa da exina, que assume formas radicalmente diferentes em diferentes plantas, embora as subunidades moleculares básicas sejam fundamentalmente semelhantes.
A estrutura deu credibilidade à ideia de que a resistência da esporopolenina surge das ligações variadas e trançadas entre as espinhas dorsais. Essas 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 essas inovações metabólicas, as plantas não seriam capazes de migrar da água para a terra em primeiro lugar”, escreveu Weng em um e-mail para a Quanta.
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. De acordo com Li, que está se preparando para enviar os resultados do estudo para publicação, a estrutura da esporopolenina varia entre os tipos de plantas em um 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 inferiores, como musgos e samambaias, tendem a ter esporopoleninas longas e semelhantes. Isso faz sentido porque essas plantas espalham seu pólen ao vento; eles precisam de esporopolenina de cadeia longa para protegê-lo.
Mas entre as angiospermas, ou plantas com flores, a situação é mais complexa. Suas flores protegem seu pólen do sol e da dessecação, e os insetos movem eficientemente o pólen de flor em flor, minimizando a exposição a outros riscos. Consequentemente, as angiospermas não precisam que sua esporopolenina seja tão uniformemente robusta.
E a produção de 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 a pinheiros”. Segundo Li e Weng, diferenças significativas parecem ter evoluído entre as esporopoleninas produzidas pelas duas grandes 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 a um pinheiro, disse Li. “Talvez se tivéssemos mais 6 milhões de anos, eles podem perder a função daqueles”, ou talvez haja outros freios e contrapesos ecológicos em jogo preservando essa estrutura de esporopolenina para certos grupos de plantas.
“A evolução não é uma linha”, disse Li. “Como as baleias. Em um ponto eles viviam em terra; agora eles vivem no oceano.” No entanto, as baleias ainda têm algumas características de animais terrestres. Talvez alguns pólens de flores retenham traços obsoletos de sua própria história.
O Misterioso Polímero
Outros pesquisadores de plantas concordam que o trabalho estrutural de Li e Weng na esporopolenina melhorou nosso conhecimento da molécula. Mas nem todos estão convencidos de que sua proposta está correta ou que conclui a busca de um século pela estrutura da esporopolenina.
“Era 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.
Um estudo de 2020 com o objetivo de “desmistificar e desvendar” a estrutura molecular da esporopolenina representou um desafio mais direto. Usando vários métodos e trabalhando com esporopolenina de musgo em vez de pinho, o grupo de Banoub na Memorial University chegou a uma estrutura que diferia em vários aspectos importantes da proposta por Li e Weng. Mais importante ainda, Banoub disse: “Provamos que não há compostos aromáticos na esporopolenina”. A disparidade, ele pensa, pode ser explicada por diferenças entre esporopolenina em pinheiros e musgos.
“Minha opinião pessoal é que eles não estão corretos”, disse Li, mas ele prefere não comentar mais até que alguns resultados relevantes de seu laboratório estejam prontos para publicação.
“Ainda é um polímero misterioso”, comentou Teagen Quilichini, biólogo de plantas do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá que estudou a esporopolenina, em um e-mail. “Apesar do que alguns relatórios sugerem.”
Resistente, mas ainda comestível?
Apesar das controvérsias sobre sua estrutura para esporopolenina, Li e outros no laboratório de Weng passaram para outra questão evolutiva: a natureza descobriu como desmontar esse material quase indestrutível que juntou?
Enquanto caminhava por Walden Pond em busca de outras enseadas 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 há cerca de 360 milhões de anos, o registro geológico mostra uma abundância de lignina fossilizada em estratos por dezenas de milhões de anos. Então, de repente, cerca de 300 milhões de anos atrás, a lignina desaparece. 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 ter um fungo ou outro micróbio capaz de decompô-la. Caso contrário, estaríamos nos afogando nas coisas. Os cálculos do verso do envelope de Li são que 100 milhões de toneladas de esporopolenina são produzidas nas florestas a cada ano. Isso nem explica 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 no Walden Pond. Observações de sua equipe sugerem que alguns microrganismos cultivados em placas de Petri podem sobreviver quando alimentados com nada além de esporopolenina e nitrogênio. Amostras de Walden, que são naturalmente cheias de comunidades microbianas do lago, devem ajudar Li a determinar se as populações de fungos e outros micróbios na natureza podem liberar os nutrientes das moléculas aparentemente inquebráveis da esporopolenina.
Enquanto comíamos algas marinhas e barras de granola à beira da lagoa, era fácil ver toda a situação do ponto de vista dos fungos. A natureza odeia desperdiçar uma refeição – mesmo uma tão difícil de mastigar.
Publicado em 25/07/2022 10h53
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