Cristales del producto AMG del virus del suelo (quitosanasa) con un aumento de 400x. Los cristales individuales se enfriaron criogénicamente en nitrógeno líquido antes de exponerlos a los potentes haces de rayos X SSRL para el análisis de la estructura. Crédito:Clyde Smith/Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC
En cada puñado de suelo, hay miles de millones de bacterias, hongos y virus, todos trabajando para sostener el ciclo de la vida. Comprender cómo estos microorganismos interactúan entre sí ayuda a los científicos a analizar la salud del suelo, el carbono del suelo y el ciclo de nutrientes, e incluso las formas en que los insectos muertos se descomponen.
Los virus del suelo contienen genes que parecen tener alguna función metabólica, pero claramente no son necesarios para la replicación viral normal. Estos genes se denominan genes metabólicos auxiliares (AMG) y producen proteínas, algunas de las cuales son enzimas que tienen una variedad de funciones. Hasta ahora, los científicos se han preguntado si algunas proteínas AMG juegan un papel en los procesos críticos del suelo, como el ciclo del carbono. Para obtener más información sobre los AMG del suelo, los investigadores determinaron la estructura atómica de una proteína expresada por un AMG en particular.
Específicamente, los investigadores irradiaron muestras frágiles de proteínas cristalizadas con rayos X de alto brillo generados por la línea de haz 12-2 de la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía (DOE). Los rayos X golpearon las proteínas dentro de las muestras de cristal, revelando sus estructuras moleculares y un poco del misterio detrás de su composición.
Los AMG, como muchos genes virales, no ayudan a que un virus se replique. En cambio, codifican para una variedad de proteínas, cada una con su propia función predicha. La AMG que se expresó fue una enzima putativa que juega un papel clave en cómo los suelos procesan y ciclan el carbono en la biosfera.
"Vimos la ubicación de cada átomo en la proteína viral, lo que nos ayuda a descubrir cómo funciona", dijo Clyde Smith, investigador principal y coautor de SSRL. "Nos sorprendió ver que la proteína se parece a estructuras atómicas conocidas de familias de enzimas fúngicas y bacterianas relacionadas, pero que también contenía piezas totalmente nuevas".
La estructura atómica detallada no tiene precedentes y revela por primera vez el mecanismo potencial de esta nueva enzima que podría desempeñar un papel importante en la ecología del suelo, Janet K. Jansson, científica jefe del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del DOE y coautora , dijo.
"Nuestra colaboración con SLAC nos ha permitido descifrar funciones previamente desconocidas que llevan a cabo los virus del suelo", dijo Jansson.
El equipo de investigación de SSRL, PNNL y el Joint Genome Institute (JGI) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE publicaron sus resultados hoy en Nature Communications .
Una estructura tridimensional del producto AMG del virus del suelo, una enzima conocida como quitosanasa. La quitosanasa está compuesta por dos dominios estructurales (Dominio-1 en verde y Dominio-2 en rosa). El sitio activo en el que tiene lugar la reacción química está resaltado por los cuatro palos amarillos y rojos. Crédito:Clyde Smith/Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC
Descomponer la quitina
Los investigadores creen que el AMG viral del estudio codifica una enzima que realiza una reacción de degradación de la quitina. La quitina es el segundo biopolímero de carbono más abundante en el planeta después de la celulosa y forma parte del exoesqueleto de un insecto y de las paredes celulares de la mayoría de los hongos.
La AMG viral en el estudio se conoce como proteína quitosanasa y, a partir del análisis de secuencia, se identificó como miembro de la familia de la glicosil hidrolasa GH75. Esta proteína podría estar actuando como una azada de jardín para el suelo, es decir, una herramienta que ayuda a preparar el suelo para vegetales, árboles, flores y todo tipo de vida.
La captura de la estructura atómica de la proteína quitosanasa requirió más de 5000 imágenes tomadas de las muestras de cristal. Reunir estas imágenes reveló que partes de la estructura de la proteína se parecían a un grupo conocido de enzimas metabolizadoras de carbohidratos de la familia de la glicosil hidrolasa GH45. Sin embargo, la proteína quitosanasa contenía otras piezas moleculares que no se parecían a las que se encuentran en GH45 o en cualquier otra estructura proteica conocida, lo que significa que su papel en el ciclo del suelo sigue abierto a más estudios, dijo Smith.
"Hay una parte de la enzima que es completamente nueva y novedosa. Eso es lo que me emociona como biólogo estructural:ver algo que no hemos visto antes y luego tratar de descubrir cuál podría ser su papel", dijo Smith.
La investigación futura podría conducir a una comprensión de por qué existen los AMG en primer lugar, ya que no ayudan a que un virus se replique, dijo Smith. Además, los investigadores podrían aprender más sobre otros AMG transportados por virus del suelo y si juegan o no un papel funcional en el ecosistema del suelo.
"Una de las grandes preguntas que surgen de este hallazgo es:'¿Qué en el suelo necesita ese carbono en la quitina?'", dijo Smith. "Las respuestas a preguntas como esta conducirán a una comprensión más profunda sobre la interacción de la multitud de microorganismos en el suelo, el movimiento de nutrientes y moléculas esenciales, y la salud general del suelo". + Explore más
