In elke handvol aarde bevinden zich miljarden bacteriën, schimmels en virussen, die allemaal werken om de levenscyclus in stand te houden. Door te begrijpen hoe deze micro-organismen met elkaar omgaan, kunnen wetenschappers de bodemgezondheid, bodemkoolstof en nutriëntenkringloop analyseren, en zelfs de manieren waarop dode insecten uiteenvallen.

Bodemvirussen bevatten genen die enige metabolische functie lijken te hebben, maar ze zijn duidelijk niet vereist voor normale virale replicatie. Deze genen worden hulpmetabolische genen (AMG's) genoemd en ze produceren eiwitten, waarvan sommige enzymen zijn met verschillende functies. Tot nu toe vroegen wetenschappers zich af of sommige AMG-eiwitten een rol spelen in kritische bodemprocessen, zoals koolstofcycli. Om meer te weten te komen over bodem-AMG's, bepaalden onderzoekers de atomaire structuur van een eiwit dat tot expressie wordt gebracht door een bepaald AMG.

Specifiek bestraalden onderzoekers fragiele gekristalliseerde eiwitmonsters met röntgenstralen met een hoge helderheid gegenereerd door de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource's (SSRL) Beam Line 12-2 bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy (DOE). De röntgenstralen troffen de eiwitten in de kristalmonsters en onthulden hun moleculaire structuren en een beetje van het mysterie achter hun samenstelling.

AMG's helpen niet, zoals veel virale genen, een virus te repliceren. In plaats daarvan coderen ze voor een verscheidenheid aan eiwitten, elk met hun eigen voorspelde functie. De AMG die tot expressie werd gebracht, was een vermeend enzym dat een sleutelrol speelt in de manier waarop de bodem koolstof in de biosfeer verwerkt en in kringloop brengt.

"We hebben de locatie van elk atoom in het virale eiwit gezien, wat ons helpt erachter te komen hoe het werkt", zegt Clyde Smith, senior onderzoeker en co-auteur van SSRL. "We waren verbaasd om te zien dat het eiwit lijkt op bekende atomaire structuren van verwante bacteriële en schimmelenzymfamilies, maar ook totaal nieuwe stukjes bevat."

De gedetailleerde atomaire structuur is ongekend en onthult voor het eerst het potentiële mechanisme van dit nieuwe enzym dat een belangrijke rol zou kunnen spelen in de bodemecologie, Janet K. Jansson, hoofdwetenschapper bij het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het DOE en co-auteur , zei.

"Onze samenwerking met SLAC heeft ons in staat gesteld om voorheen onbekende functies van bodemvirussen te ontcijferen," zei Jansson.

Het onderzoeksteam van SSRL, PNNL en het Joint Genome Institute (JGI) van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het DOE hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in Nature Communications .

Chitine afbreken

Onderzoekers denken dat het virale AMG in de studie codeert voor een enzym dat een afbraakreactie op chitine uitvoert. Chitine is het op één na meest voorkomende koolstofbiopolymeer ter wereld na cellulose en maakt deel uit van het exoskelet van een insect en de celwanden van de meeste schimmels.

Het virale AMG in de studie staat bekend als een chitosanase-eiwit en uit sequentieanalyse werd het geïdentificeerd als een lid van de glycosylhydrolase-GH75-familie. Dit eiwit zou kunnen werken als een tuinschoffel voor de grond, d.w.z. een hulpmiddel dat helpt om de grond voor te bereiden op groenten, bomen, bloemen en alle andere soorten leven.

Om de atomaire structuur van het chitosanase-eiwit vast te leggen, waren meer dan 5.000 afbeeldingen van de kristalmonsters nodig. Bij het samenvoegen van deze afbeeldingen bleek dat delen van de structuur van het eiwit leken op een bekende groep koolhydraatmetaboliserende enzymen uit de glycosylhydrolase GH45-familie. Het chitosanase-eiwit bevatte echter andere moleculaire stukjes die er niet uitzagen als die gevonden in GH45, of in andere bekende eiwitstructuren, wat betekent dat zijn rol in bodemcycli open blijft voor verdere studies, zei Smith.

"Er is een deel van het enzym dat volledig nieuw en nieuw is. Dat is wat ik als structurele bioloog opwindend vind - om iets te zien dat we nog niet eerder hebben gezien, en dan te proberen erachter te komen wat de rol ervan zou kunnen zijn," zei Smith.

Toekomstig onderzoek zou kunnen leiden tot inzicht in waarom AMG's in de eerste plaats bestaan, omdat ze een virus niet helpen repliceren, zei Smith. Bovendien zouden onderzoekers meer te weten kunnen komen over andere AMG's die door bodemvirussen worden gedragen en of ze al dan niet een functionele rol spelen in het bodemecosysteem.

"Een van de grote vragen die uit deze bevinding voortkomen, is:"Wat heeft die koolstof in de chitine in de bodem nodig?", zei Smith. "Antwoorden op dit soort vragen zullen leiden tot een dieper begrip van de interactie van de veelheid aan micro-organismen in de bodem, de beweging van voedingsstoffen en essentiële moleculen, en de algehele gezondheid van de bodem." + Verken verder

Wetenschappers ontdekken nieuwe bodemvirussen