Mystisk jordvirusgen set for første gang

I hver håndfuld jord er der milliarder af bakterier, svampe og vira, der alle arbejder på at opretholde livscyklussen. At forstå, hvordan disse mikroorganismer interagerer med hinanden, hjælper forskerne med at analysere jordens sundhed, jordens kulstof- og næringsstofkredsløb og endda de måder, hvorpå døde insekter nedbrydes.

Jordvirus indeholder gener, der ser ud til at have en vis metabolisk funktion, men de er tydeligvis ikke nødvendige for normal viral replikation. Disse gener kaldes auxiliary metabolic gener (AMG'er), og de producerer proteiner, hvoraf nogle er enzymer, der har en række forskellige funktioner. Indtil nu har videnskabsmænd spekuleret på, om nogle AMG-proteiner spiller en rolle i kritiske jordprocesser, såsom kulstofkredsløb. For at finde ud af mere om jord-AMG'er, bestemte forskere atomstrukturen af ​​et protein, der udtrykkes af en bestemt AMG.

Specifikt bestrålede forskere skrøbelige krystalliserede proteinprøver med røntgenstråler med høj lysstyrke genereret af Stanford Synchrotron Radiation Lightsources (SSRL) Beam Line 12-2 ved Department of Energy's (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory. Røntgenstrålerne ramte proteinerne i krystalprøverne og afslørede deres molekylære strukturer og lidt af mysteriet bag deres makeup.

AMG'er hjælper ikke, som mange virale gener, en virus med at replikere. I stedet koder de for en række forskellige proteiner, hver med deres egen forudsagte funktion. Den AMG, der blev udtrykt, var et formodet enzym, der spiller en nøglerolle i, hvordan jordbund behandler og kredser kulstof i biosfæren.

"Vi så placeringen af ​​hvert atom i det virale protein, hvilket hjælper os med at finde ud af, hvordan det fungerer," sagde Clyde Smith, SSRL seniorforsker og medforfatter. "Vi var forbløffede over at se, at proteinet ligner kendte atomstrukturer af beslægtede bakterie- og svampeenzymfamilier, men også indeholdt helt nye stykker."

Den detaljerede atomare struktur er uden fortilfælde og afslører for første gang den potentielle mekanisme af dette nye enzym, der kan spille en vigtig rolle i jordbunds økologi, Janet K. Jansson, chefforsker ved DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og medforfatter , sagde.

"Vores samarbejde med SLAC har gjort os i stand til at tyde hidtil ukendte funktioner udført af jordvirus," sagde Jansson.

Forskerholdet fra SSRL, PNNL og Joint Genome Institute (JGI) ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory offentliggjorde deres resultater i dag i Nature Communications .

nedbrydning af kitin

Forskere mener, at den virale AMG i undersøgelsen koder for et enzym, der udfører en nedbrydningsreaktion på kitin. Chitin er den næstmest udbredte kulstofbiopolymer på planeten efter cellulose og er en del af et insekts eksoskelet og cellevæggene i de fleste svampe.

Den virale AMG i undersøgelsen er kendt som et chitosanase-protein og blev fra sekvensanalyse identificeret som et medlem af glycosylhydrolase GH75-familien. Dette protein kunne fungere som en havehakke til jorden – dvs. et værktøj, der hjælper med at forberede jorden til grøntsager, træer, blomster og alle andre former for liv.

At fange den atomare struktur af chitosanase-proteinet krævede mere end 5.000 billeder taget fra krystalprøverne. Sammenlægning af disse billeder afslørede, at dele af proteinets struktur lignede en kendt gruppe af kulhydratmetaboliserende enzymer fra glycosylhydrolase GH45-familien. Imidlertid indeholdt chitosanaseproteinet andre molekylære stykker, der ikke lignede dem, der findes i GH45 eller i andre kendte proteinstrukturer, hvilket betyder, at dets rolle i jordcyklus forbliver åben for yderligere undersøgelser, sagde Smith.

"Der er en del af enzymet, som er helt ny og ny. Det er det, der er spændende for mig som strukturbiolog - at se noget, vi ikke har set før, og så prøve at finde ud af, hvad dets rolle kan være," sagde Smith.

Fremtidig forskning kan føre til en forståelse af, hvorfor AMG'er eksisterer i første omgang, da de ikke hjælper en virus med at replikere, sagde Smith. Derudover kunne forskere lære mere om andre AMG'er båret af jordvirus, og hvorvidt de spiller en funktionel rolle i jordens økosystem.

"Et af de store spørgsmål, der kommer fra dette fund er, "Hvad i jorden har brug for det kulstof i kitinen?" sagde Smith. "Svar på spørgsmål som dette vil føre til en dybere forståelse af samspillet mellem de mange mikroorganismer i jorden, bevægelsen af ​​næringsstoffer og essentielle molekyler og jordens generelle sundhed." + Udforsk yderligere

Forskere opdager nye jordvirus