Kristaller av jordvirusets AMG-produkt (kitosanas) vid 400x förstoring. Enskilda kristaller kryokyldes i flytande kväve innan de exponerades för de kraftfulla SSRL-röntgenstrålarna för strukturanalys. Kredit:Clyde Smith/SLAC National Accelerator Laboratory
I varje handfull jord finns det miljarder bakterier, svampar och virus som alla arbetar för att upprätthålla livscykeln. Att förstå hur dessa mikroorganismer interagerar med varandra hjälper forskarna att analysera markens hälsa, markens kol och näringsämnens kretslopp och till och med sätten på vilka döda insekter bryts ned.
Jordvirus innehåller gener som verkar ha en viss metabolisk funktion, men de behövs uppenbarligen inte för normal viral replikation. Dessa gener kallas auxiliary metabolic geners (AMG) och de producerar proteiner, av vilka några är enzymer som har en mängd olika funktioner. Hittills har forskare undrat om vissa AMG-proteiner spelar en roll i kritiska jordprocesser, som kolkretslopp. För att ta reda på mer om jord-AMG bestämde forskare atomstrukturen hos ett protein som uttrycks av en viss AMG.
Specifikt bestrålade forskare ömtåliga kristalliserade proteinprover med röntgenstrålar med hög ljusstyrka genererade av Stanford Synchrotron Radiation Lightsources (SSRL) Beam Line 12-2 vid Department of Energys (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory. Röntgenstrålningen träffade proteinerna i kristallproverna och avslöjade deras molekylära strukturer och lite av mysteriet bakom deras makeup.
AMG hjälper inte, som många virala gener, ett virus att replikera. Istället kodar de för en mängd olika proteiner, var och en med sin egen förutsagda funktion. Den AMG som uttrycktes var ett förmodat enzym som spelar en nyckelroll i hur jordar bearbetar och cirkulerar kol i biosfären.
"Vi såg platsen för varje atom i det virala proteinet, vilket hjälper oss att ta reda på hur det fungerar," sa Clyde Smith, seniorforskare och medförfattare vid SSRL. "Vi blev förvånade över att se att proteinet liknar kända atomstrukturer från relaterade bakterie- och svampenzymfamiljer, men också innehöll helt nya delar."
Den detaljerade atomstrukturen är oöverträffad och avslöjar för första gången den potentiella mekanismen för detta nya enzym som kan spela en viktig roll i markekologi, Janet K. Jansson, chefsforskare vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och medförfattare , sa.
"Vårt samarbete med SLAC har gjort det möjligt för oss att dechiffrera tidigare okända funktioner som utförs av jordvirus," sa Jansson.
Forskargruppen från SSRL, PNNL och Joint Genome Institute (JGI) vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory, publicerade sina resultat idag i Nature Communications .
En tredimensionell struktur av jordvirusets AMG-produkt, ett enzym som kallas kitosanas. Kitosanaset är sammansatt av två strukturella domäner (domän-1 i grönt och domän-2 i rosa). Den aktiva plats där den kemiska reaktionen äger rum markeras av de fyra gula och röda stickorna. Kredit:Clyde Smith/SLAC National Accelerator Laboratory
bryta ner kitin
Forskare tror att det virala AMG i studien kodar för ett enzym som utför en nedbrytningsreaktion på kitin. Kitin är den näst vanligaste kolbiopolymeren på planeten efter cellulosa och är en del av en insekts exoskelett och cellväggarna hos de flesta svampar.
Den virala AMG i studien är känd som ett kitosanasprotein och identifierades från sekvensanalys som en medlem av glykosylhydrolas-GH75-familjen. Detta protein kan fungera som en trädgårdshacka för jorden – det vill säga ett verktyg som hjälper till att förbereda jorden för grönsaker, träd, blommor och alla andra typer av liv.
Att fånga atomstrukturen hos kitosanasproteinet krävde mer än 5 000 bilder tagna från kristallproverna. Sammansättning av dessa bilder visade att delar av proteinets struktur liknade en känd grupp av kolhydratmetaboliserande enzymer från glykosylhydrolas GH45-familjen. Kitosanasproteinet innehöll dock andra molekylära delar som inte såg ut som de som finns i GH45, eller i några andra kända proteinstrukturer, vilket innebär att dess roll i markens cykling förblir öppen för ytterligare studier, sa Smith.
"Det finns en del av enzymet som är helt ny och ny. Det är det som är spännande för mig som strukturbiolog - att se något vi inte har sett tidigare, och sedan försöka lista ut vad dess roll kan vara," sa Smith.
Framtida forskning kan leda till en förståelse om varför AMG existerar i första hand, eftersom de inte hjälper ett virus att replikera, sa Smith. Dessutom kan forskare lära sig mer om andra AMG som bärs av jordvirus och om de spelar en funktionell roll i markens ekosystem eller inte.
"En av de stora frågorna som kommer från detta fynd är:"Vad i jorden behöver det kolet i kitinet?", sa Smith. "Svar på frågor som denna kommer att leda till en djupare förståelse om interaktionen mellan mängden mikroorganismer i jorden, rörelsen av näringsämnen och essentiella molekyler och jordens allmänna hälsa." + Utforska vidare
