Загадочный ген почвенного вируса впервые изучен на атомном уровне
В каждой горсти почвы содержатся миллиарды бактерий, грибов и вирусов, которые поддерживают круговорот жизни. Понимание их взаимодействия помогает анализировать здоровье почвы, круговорот углерода и питательных веществ.
Почвенные вирусы содержат вспомогательные метаболические гены (AMG), которые не нужны для репликации вируса, но кодируют белки с различными функциями. Учёные задавались вопросом, участвуют ли некоторые AMG-белки в ключевых почвенных процессах, например, в углеродном цикле.
Чтобы это выяснить, исследователи определили атомную структуру белка, экспрессируемого одним из таких AMG. Они облучили кристаллизованные образцы белка высокоинтенсивными рентгеновскими лучами на Beam Line 12-2 в Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) в SLAC National Accelerator Laboratory.
Изученный AMG кодирует предполагаемый фермент, играющий ключевую роль в переработке и круговороте углерода в биосфере.
"Мы увидели расположение каждого атома в вирусном белке, что помогает понять его функцию. Мы были поражены, обнаружив, что белок напоминает известные атомные структуры родственных семейств бактериальных и грибных ферментов, но также содержит совершенно новые элементы", — сказал Клайд Смит, соавтор исследования из SSRL.
Детальная атомная структура беспрецедентна и впервые раскрывает потенциальный механизм действия этого нового фермента, который может играть важную роль в экологии почвы.
Разрушение хитина
Исследователи полагают, что изученный вирусный AMG кодирует фермент, который осуществляет реакцию деградации хитина. Хитин — второй по распространённости углеродный биополимер на планете после целлюлозы, входящий в состав экзоскелета насекомых и клеточных стенок большинства грибов.
Этот вирусный AMG известен как белок хитозаназа и был идентифицирован как член семейства гликозилгидролаз GH75. Получение атомной структуры потребовало более 5000 изображений кристаллов.
Анализ показал, что части структуры белка напоминают известные углеводно-метаболизирующие ферменты из семейства GH45. Однако хитозаназа содержала другие молекулярные элементы, не похожие на GH45 или любые другие известные белковые структуры.
"Существует часть фермента, которая совершенно нова и уникальна. Это то, что меня как структурного биолога волнует — увидеть то, чего мы раньше не видели, а затем попытаться выяснить, какова может быть его роль", — отметил Смит.
Будущие исследования могут объяснить, почему AMG вообще существуют, если они не помогают репликации вируса, а также изучить другие AMG почвенных вирусов и их возможную функциональную роль в экосистеме.
"Один из главных вопросов, вытекающих из этого открытия: «Что в почве нуждается в том углероде, который содержится в хитине?» Ответы на такие вопросы приведут к более глубокому пониманию взаимодействия множества микроорганизмов в почве", — заключил Смит.
Исследование проведено сотрудниками SSRL, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) и Объединённого института генома (JGI) и опубликовано в Nature Communications.