In ogni manciata di terreno ci sono miliardi di batteri, funghi e virus, che lavorano tutti per sostenere il ciclo della vita. Comprendere come questi microrganismi interagiscono tra loro aiuta gli scienziati ad analizzare la salute del suolo, il carbonio del suolo e il ciclo dei nutrienti e persino i modi in cui gli insetti morti si decompongono.

I virus del suolo contengono geni che sembrano avere una qualche funzione metabolica, ma chiaramente non sono necessari per la normale replicazione virale. Questi geni sono chiamati geni metabolici ausiliari (AMG) e producono proteine, alcune delle quali sono enzimi che hanno una varietà di funzioni. Finora, gli scienziati si sono chiesti se alcune proteine ​​AMG svolgano un ruolo nei processi critici del suolo, come il ciclo del carbonio. Per saperne di più sugli AMG del suolo, i ricercatori hanno determinato la struttura atomica di una proteina espressa da un particolare AMG.

In particolare, i ricercatori hanno irradiato fragili campioni di proteine ​​cristallizzate con raggi X ad alta luminosità generati dalla Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) Beam Line 12-2 presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy (DOE). I raggi X hanno colpito le proteine ​​all'interno dei campioni di cristallo, rivelando le loro strutture molecolari e un po' del mistero dietro la loro composizione.

Gli AMG, come molti geni virali, non aiutano un virus a replicarsi. Invece, codificano per una varietà di proteine, ognuna con la propria funzione prevista. L'AMG che è stato espresso era un presunto enzima che svolge un ruolo chiave nel modo in cui i suoli elaborano e ciclano il carbonio nella biosfera.

"Abbiamo visto la posizione di ogni atomo nella proteina virale, che ci aiuta a capire come funziona", ha detto Clyde Smith, ricercatore senior e coautore di SSLL. "Siamo rimasti sorpresi nel vedere che la proteina assomiglia a strutture atomiche conosciute di famiglie di enzimi batterici e fungini correlati, ma conteneva anche pezzi completamente nuovi".

La struttura atomica dettagliata non ha precedenti e rivela per la prima volta il potenziale meccanismo di questo nuovo enzima che potrebbe svolgere un ruolo importante nell'ecologia del suolo, Janet K. Jansson, scienziato capo presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE e co-autore , disse.

"La nostra collaborazione con SLAC ci ha consentito di decifrare funzioni precedentemente sconosciute svolte dai virus del suolo", ha affermato Jansson.

Il team di ricerca di SSRL, PNNL e Joint Genome Institute (JGI) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE, ha pubblicato oggi i risultati su Nature Communications .

Decomposizione della chitina

I ricercatori pensano che l'AMG virale nello studio codifichi un enzima che esegue una reazione di degradazione della chitina. La chitina è il secondo biopolimero di carbonio più abbondante sul pianeta dopo la cellulosa e fa parte dell'esoscheletro di un insetto e delle pareti cellulari della maggior parte dei funghi.

L'AMG virale nello studio è noto come proteina chitosanasi e dall'analisi della sequenza è stato identificato come un membro della famiglia della glicosil idrolasi GH75. Questa proteina potrebbe agire come una zappa da giardino per il terreno, ovvero uno strumento che aiuta a preparare il terreno per verdure, alberi, fiori e tutti gli altri tipi di vita.

L'acquisizione della struttura atomica della proteina chitosanasi ha richiesto più di 5.000 immagini prelevate dai campioni di cristallo. Mettendo insieme queste immagini, è emerso che parti della struttura della proteina somigliavano a un gruppo noto di enzimi che metabolizzano i carboidrati della famiglia della glicosil idrolasi GH45. Tuttavia, la proteina chitosanasi conteneva altri pezzi molecolari che non assomigliavano a quelli trovati nel GH45, o in qualsiasi altra struttura proteica nota, il che significa che il suo ruolo nel ciclo del suolo rimane aperto a ulteriori studi, ha affermato Smith.

"C'è una parte dell'enzima che è completamente nuova e nuova. Questo è ciò che è eccitante per me come biologo strutturale:vedere qualcosa che non abbiamo mai visto prima, e poi cercare di capire quale potrebbe essere il suo ruolo", ha detto Smith.

La ricerca futura potrebbe portare a una comprensione del perché gli AMG esistono in primo luogo, dal momento che non aiutano un virus a replicarsi, ha detto Smith. Inoltre, i ricercatori potrebbero saperne di più su altri AMG trasportati dai virus del suolo e se svolgono o meno un ruolo funzionale nell'ecosistema del suolo.

"Una delle grandi domande che derivano da questa scoperta è:"Di cosa ha bisogno nel suolo quel carbonio nella chitina?", ha detto Smith. "Risposte a domande come questa porteranno a una comprensione più profonda dell'interazione della moltitudine di microrganismi in il suolo, il movimento dei nutrienti e delle molecole essenziali e la salute generale del suolo." + Esplora ulteriormente

Gli scienziati scoprono nuovi virus del suolo