Расшифрована детальная молекулярная структура полимера спорополленина

Примерно 450 миллионов лет назад растения смогли выйти на сушу, эволюционировав споры и пыльцу с прочными защитными стенками. Ключевой компонент этих стенок — полимер спорополленин. Он исключительно долговечен и присутствует у всех наземных растений, но отсутствует у водорослей. Однако его химическая инертность, обеспечивающая защиту, десятилетиями мешала ученым определить его точную структуру.

В новой работе, опубликованной в журнале Nature Plants, исследователи во главе с Цзин-Кэ Вэном и Фу-Шуан Ли из Института Уайтхеда, в сотрудничестве с группой Мэй Хонг из MIT, наконец расшифровали химическое строение спорополленина.

Как удалось решить задачу?

1. Необычный источник материала: Для получения большого количества спорополленина ученые использовали пыльцу сосны Pinus rigida, которую в Китае продают оптом как пищевую добавку.
2. Физическое измельчение: Чтобы сделать полимер более доступным, пыльцевые оболочки измельчали с помощью высокоэнергетической шаровой мельницы.
3. Химическое расщепление: Прорывом стало применение метода тиоацидолиза — кислотного расщепления с соединениями серы. Это позволило разложить около 50% полимера на анализируемые фрагменты.
4. Спектроскопия ЯМР: Для исследования нерастворимых остатков использовали ЯМР-спектроскопию с вращением под магическим углом, которая определяет структуру в твердом состоянии.

Ключевые особенности структуры спорополленина

• Двойные сшивки: Молекула содержит два типа поперечных связей — сложноэфирные (эфиры) и ацетальные (ацетали). Это уникальная черта, так как другие известные растительные полимеры имеют, как правило, один основной тип сшивки.
  • Эфиры устойчивы к щелочным условиям.
  • Ацетали устойчивы к кислым условиям.
  • Эта комбинация обеспечивает экстремальную химическую инертность полимера в природе и лаборатории.
• Защитные компоненты: В структуре также обнаружены молекулы, обеспечивающие защиту от ультрафиолетового излучения, и жирные кислоты, придающие водоотталкивающие свойства для защиты от засухи.

Значение и перспективы

Открытие структуры спорополленина не только решает давнюю загадку биохимии растений, но и открывает путь для его потенциального применения. Благодаря своей инертности, этот полимер может стать моделью для создания:

• Биосовместимых медицинских имплантатов (например, стентов).
• Особо прочных красок и покрытий, устойчивых к агрессивным средам.

Теперь исследователи изучают, как структура спорополленина различается у разных видов растений, особенно у цветковых, имеющих ключевое значение для сельского хозяйства и медицины.