Cristaux du produit AMG du virus du sol (chitosanase) à un grossissement de 400x. Les cristaux individuels ont été cryo-refroidis dans de l'azote liquide avant d'être exposés aux puissants faisceaux de rayons X SSRL pour l'analyse de la structure. Crédit :Clyde Smith/SLAC National Accelerator Laboratory
Dans chaque poignée de sol, il y a des milliards de bactéries, de champignons et de virus, tous travaillant pour maintenir le cycle de la vie. Comprendre comment ces micro-organismes interagissent les uns avec les autres aide les scientifiques à analyser la santé du sol, le cycle du carbone et des nutriments du sol, et même la manière dont les insectes morts se décomposent.
Les virus du sol contiennent des gènes qui semblent avoir une certaine fonction métabolique, mais ils ne sont manifestement pas nécessaires à la réplication virale normale. Ces gènes sont appelés gènes métaboliques auxiliaires (AMG) et ils produisent des protéines, dont certaines sont des enzymes qui ont diverses fonctions. Jusqu'à présent, les scientifiques se demandaient si certaines protéines AMG jouaient un rôle dans les processus critiques du sol, comme le cycle du carbone. Pour en savoir plus sur les AMG du sol, les chercheurs ont déterminé la structure atomique d'une protéine exprimée par un AMG particulier.
Plus précisément, les chercheurs ont irradié des échantillons de protéines cristallisées fragiles avec des rayons X à haute luminosité générés par la ligne de faisceau 12-2 de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie (DOE). Les rayons X ont frappé les protéines dans les échantillons de cristaux, révélant leurs structures moléculaires et un peu du mystère derrière leur composition.
Comme de nombreux gènes viraux, les AMG n'aident pas un virus à se répliquer. Au lieu de cela, ils codent pour une variété de protéines, chacune avec sa propre fonction prédite. L'AMG qui a été exprimé était une enzyme putative qui joue un rôle clé dans la façon dont les sols traitent et recyclent le carbone dans la biosphère.
"Nous avons vu l'emplacement de chaque atome dans la protéine virale, ce qui nous aide à comprendre son fonctionnement", a déclaré Clyde Smith, chercheur principal et co-auteur du SSRL. "Nous avons été étonnés de voir que la protéine ressemblait aux structures atomiques connues de familles d'enzymes bactériennes et fongiques apparentées, mais contenait également des éléments totalement nouveaux."
La structure atomique détaillée est sans précédent et révèle pour la première fois le mécanisme potentiel de cette nouvelle enzyme qui pourrait jouer un rôle important dans l'écologie des sols, Janet K. Jansson, scientifique en chef au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du DOE et co-auteur , dit.
"Notre collaboration avec le SLAC nous a permis de déchiffrer des fonctions auparavant inconnues exercées par les virus du sol", a déclaré Jansson.
L'équipe de recherche du SSRL, du PNNL et du Joint Genome Institute (JGI) du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE a publié ses résultats aujourd'hui dans Nature Communications .
Une structure tridimensionnelle du produit AMG du virus du sol, une enzyme connue sous le nom de chitosanase. La chitosanase est composée de deux domaines structuraux (Domaine-1 en vert et Domaine-2 en rose). Le site actif où se produit la réaction chimique est mis en évidence par les quatre bâtons jaune et rouge. Crédit :Clyde Smith/SLAC National Accelerator Laboratory
Décomposer la chitine
Les chercheurs pensent que l'AMG virale dans l'étude code pour une enzyme qui effectue une réaction de dégradation sur la chitine. La chitine est le deuxième biopolymère carboné le plus abondant sur la planète après la cellulose et fait partie de l'exosquelette d'un insecte et des parois cellulaires de la plupart des champignons.
L'AMG virale dans l'étude est connue sous le nom de protéine chitosanase et, à partir de l'analyse de séquence, a été identifiée comme un membre de la famille des glycosyl hydrolases GH75. Cette protéine pourrait agir comme une houe de jardin pour le sol, c'est-à-dire un outil qui aide à préparer le sol pour les légumes, les arbres, les fleurs et toutes les autres formes de vie.
La capture de la structure atomique de la protéine chitosanase a nécessité plus de 5 000 images prises à partir des échantillons de cristaux. L'assemblage de ces images a révélé que certaines parties de la structure de la protéine ressemblaient à un groupe connu d'enzymes métabolisant les glucides de la famille des glycosyl hydrolases GH45. Cependant, la protéine chitosanase contenait d'autres éléments moléculaires qui ne ressemblaient pas à ceux trouvés dans GH45, ou dans toute autre structure protéique connue, ce qui signifie que son rôle dans le cycle du sol reste ouvert à d'autres études, a déclaré Smith.
"Il y a une partie de l'enzyme qui est complètement nouvelle et nouvelle. C'est ce qui me passionne en tant que biologiste structural - voir quelque chose que nous n'avons pas vu auparavant, puis essayer de comprendre quel pourrait être son rôle", a déclaré Smith.
Des recherches futures pourraient permettre de comprendre pourquoi les AMG existent en premier lieu, car ils n'aident pas un virus à se répliquer, a déclaré Smith. De plus, les chercheurs pourraient en savoir plus sur les autres AMG transportés par les virus du sol et savoir s'ils jouent ou non un rôle fonctionnel dans l'écosystème du sol.
"L'une des grandes questions qui découlent de cette découverte est la suivante :" Qu'est-ce qui, dans le sol, a besoin de ce carbone dans la chitine ? ", a déclaré Smith. "Les réponses à des questions comme celle-ci conduiront à une compréhension plus approfondie de l'interaction de la multitude de micro-organismes dans le sol, le mouvement des nutriments et des molécules essentielles, et la santé globale du sol." + Explorer davantage
