Het onderzoek wierp een nieuw licht op hulpstofwisselingsgenen.
Het eiwit kan belangrijk zijn bij zowel de afbraak van de bodem als de koolstofcyclus in de bodem.
Er zijn miljarden bacteriën, schimmels en virussen in elke handvol grond, die allemaal bijdragen aan het onderhoud van de levenscyclus. Door te begrijpen hoe deze micro-organismen met elkaar omgaan, kunnen wetenschappers de gezondheid van de bodem, de koolstof in de bodem en de kringloop van voedingsstoffen beter begrijpen, en zelfs hoe dode insecten uiteenvallen.
Bodemvirussen hebben genen die een metabolische rol lijken te spelen, maar ze zijn niet essentieel voor normale virale replicatie. Deze genen staan bekend als hulpstofwisselingsgenen (AMG’s) en ze produceren eiwitten, waarvan sommige enzymen zijn met verschillende rollen. Wetenschappers hebben eerder gespeculeerd of bepaalde AMG-eiwitten een rol spelen in cruciale 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 specifieke AMG.
Een driedimensionale structuur van het AMG-product van het bodemvirus, een enzym dat bekend staat als chitosanase. Het chitosanase is samengesteld uit twee structurele domeinen (Domein-1 in groen en Domein-2 in roze). De actieve plaats waar de chemische reactie plaatsvindt, wordt gemarkeerd door de vier gele en rode stokjes. Credits: Clyde Smith/SLAC National Accelerator Laboratory
Onderzoekers gebruikten zeer heldere röntgenstralen gegenereerd door de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource’s (SSRL) Beam Line 12-2 bij de Ministerie van Energie (DOE) SLAC Nationaal Accelerator-laboratorium om fragiele gekristalliseerde eiwitmonsters te bestralen. De röntgenstralen troffen de eiwitten in de kristalmonsters, waardoor hun moleculaire structuren werden blootgelegd, evenals een deel van het mysterie rond 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 zijn eigen voorspelde functie. De AMG die tot uitdrukking kwam, was een vermeend enzym dat een sleutelrol speelt in de manier waarop bodems koolstof in de biosfeer verwerken en circuleren.
“We zagen de locatie van elke atoom in het virale eiwit, wat ons helpt erachter te komen hoe het werkt, « zei Clyde Smith, SSRL senior onderzoeker en co-auteur. « We waren verbaasd om te zien dat het eiwit lijkt op bekende atomaire structuren van verwante bacterie- 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 de DOE’s Pacific Northwest Nationaal Laboratorium (PNNL) 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) bij de DOE’s Lawrence Berkeley Nationaal Laboratoriumpubliceerden onlangs hun resultaten in Natuurcommunicatie.
Chitine afbreken
Onderzoekers denken dat het virale AMG in de studie codeert voor een enzym dat een afbraakreactie uitvoert op chitine. Chitine is na cellulose het op één na meest voorkomende koolstofbiopolymeer op aarde 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 geïdentificeerd als een lid van de glycosylhydrolase GH75-familie. Dit eiwit zou kunnen werken als een tuinschoffel voor de grond – dat wil zeggen, 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. Door deze beelden samen te voegen, bleek dat delen van de eiwitstructuur 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 structureel bioloog zo opwindend vind: iets zien dat we nog niet eerder hebben gezien, en dan proberen te achterhalen wat de rol ervan zou kunnen zijn,’ zei Smith.
Toekomstig onderzoek zou kunnen leiden tot een beter begrip van 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 worden gedragen door bodemvirussen 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 de bodem in de bodem nodig voor die koolstof in de chitine?' », zei Smith. « Antwoorden op dit soort vragen zullen leiden tot een beter 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. »
Referentie: « Structurele karakterisering van een bodemviraal hulpmetabolisch genproduct – een functioneel chitosanase » door Ruonan Wu, Clyde A. Smith, Garry W. Buchko, Ian K. Blaby, David Paez-Espino, Nikos C. Kyrpides, Yasuo Yoshikuni, Jason E. McDermott, Kirsten S. Hofmockel, John R. Cort en Janet K. Jansson, 19 september 2022, Natuurcommunicatie.
DOI: 10.1038/s41467-022-32993-8
De studie werd gefinancierd door het DOE’s Office of Biological and Environmental Research (BER), JGI en het DOE’s Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL). Het project is geïnitieerd door onderzoekers van PNNL via het bodemmicrobioom SFA, gefinancierd door BER. Het werd ook ondersteund door een FICUS-subsidie voor JGI- en EMSL-ondersteuning. Het programma voor structurele moleculaire biologie bij SSRL wordt ondersteund door de BER van de DOE en door de National Institutes of Health en het National Institute of General Medical Sciences.
