Cristais do produto AMG do vírus do solo (quitosanase) com aumento de 400x. Cristais individuais foram crio-resfriados em nitrogênio líquido antes de serem expostos aos poderosos feixes de raios-X SSLL para análise de estrutura. Crédito:Clyde Smith/SLAC National Accelerator Laboratory
Em cada punhado de solo, existem bilhões de bactérias, fungos e vírus, todos trabalhando para sustentar o ciclo da vida. Compreender como esses microrganismos interagem uns com os outros ajuda os cientistas a analisar a saúde do solo, o carbono do solo e a ciclagem de nutrientes, e até mesmo as maneiras pelas quais os insetos mortos se decompõem.
Os vírus do solo contêm genes que parecem ter alguma função metabólica, mas claramente não são necessários para a replicação viral normal. Esses genes são chamados de genes metabólicos auxiliares (AMGs) e produzem proteínas, algumas das quais são enzimas com diversas funções. Até agora, os cientistas se perguntavam se algumas proteínas AMG desempenham um papel em processos críticos do solo, como o ciclo do carbono. Para saber mais sobre os AMGs do solo, os pesquisadores determinaram a estrutura atômica de uma proteína que é expressa por um AMG específico.
Especificamente, os pesquisadores irradiaram amostras frágeis de proteínas cristalizadas com raios-X de alto brilho gerados pela Linha de Feixe 12-2 do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) no Departamento de Energia (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory. Os raios-X atingiram as proteínas dentro das amostras de cristal, revelando suas estruturas moleculares e um pouco do mistério por trás de sua composição.
AMGs, como muitos genes virais, não ajudam um vírus a se replicar. Em vez disso, eles codificam uma variedade de proteínas, cada uma com sua própria função prevista. O AMG que foi expresso era uma enzima putativa que desempenha um papel fundamental na forma como os solos processam e ciclam o carbono na biosfera.
“Vimos a localização de cada átomo na proteína viral, o que nos ajuda a descobrir como ela funciona”, disse Clyde Smith, pesquisador sênior e coautor do SSLL. “Ficamos surpresos ao ver que a proteína se assemelha a estruturas atômicas conhecidas de famílias de enzimas bacterianas e fúngicas relacionadas, mas também continha peças totalmente novas”.
A estrutura atômica detalhada é sem precedentes e revela pela primeira vez o mecanismo potencial desta nova enzima que pode desempenhar um papel importante na ecologia do solo, Janet K. Jansson, cientista-chefe do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do DOE (PNNL) e coautora , disse.
"Nossa colaboração com o SLAC nos permitiu decifrar funções anteriormente desconhecidas realizadas por vírus do solo", disse Jansson.
A equipe de pesquisa do SSRL, PNNL e do Joint Genome Institute (JGI) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE, publicou seus resultados hoje na
Nature Communications .
Uma estrutura tridimensional do produto AMG do vírus do solo, uma enzima conhecida como quitosanase. A quitosanase é composta por dois domínios estruturais (Domínio-1 em verde e Domínio-2 em rosa). O sítio ativo no qual a reação química ocorre é destacado pelos quatro bastões amarelos e vermelhos. Crédito:Clyde Smith/SLAC National Accelerator Laboratory
Decompondo a quitina Os pesquisadores pensam que o AMG viral no estudo codifica uma enzima que realiza uma reação de degradação na quitina. A quitina é o segundo biopolímero de carbono mais abundante no planeta depois da celulose e faz parte do exoesqueleto de um inseto e das paredes celulares da maioria dos fungos.
O AMG viral no estudo é conhecido como uma proteína quitosanase e, a partir da análise da sequência, foi identificado como um membro da família da glicosil hidrolase GH75. Essa proteína pode estar agindo como uma enxada de jardim para o solo – ou seja, uma ferramenta que ajuda a preparar o solo para vegetais, árvores, flores e todos os outros tipos de vida.
Capturar a estrutura atômica da proteína quitosanase exigiu mais de 5.000 imagens tiradas das amostras de cristal. Juntar essas imagens revelou que partes da estrutura da proteína se assemelhavam a um grupo conhecido de enzimas metabolizadoras de carboidratos da família da glicosil hidrolase GH45. No entanto, a proteína quitosanase continha outras peças moleculares que não se pareciam com as encontradas no GH45, ou em qualquer outra estrutura proteica conhecida, o que significa que seu papel na ciclagem do solo permanece aberto a mais estudos, disse Smith.
"Há uma parte da enzima que é completamente nova e inovadora. Isso é o que me empolga como biólogo estrutural - ver algo que não vimos antes e depois tentar descobrir qual pode ser seu papel", disse Smith.
Pesquisas futuras podem levar a um entendimento sobre por que os AMGs existem em primeiro lugar, já que eles não ajudam a replicar um vírus, disse Smith. Além disso, os pesquisadores podem aprender mais sobre outros AMGs transportados por vírus do solo e se eles desempenham ou não um papel funcional no ecossistema do solo.
"Uma das grandes questões decorrentes dessa descoberta é:'O que o solo precisa desse carbono na quitina?'", disse Smith. o solo, o movimento de nutrientes e moléculas essenciais e a saúde geral do solo."
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