土壤生物发生学（首次发现神秘的土壤病毒基因）

作者大卫·克劳斯，SLAC国家加速器实验室

放大400倍的土壤病毒AMG产物(壳聚糖酶)的晶体。在暴露于强大的SSRL X射线束进行结构分析之前，单个晶体在液氮中低温冷却。鸣谢:克莱德·史密斯/SLAC国家加速器实验室

在每一把土壤中，都有数十亿的细菌、真菌和病毒，它们都在维持生命的循环。了解这些微生物如何相互作用有助于科学家分析土壤健康、土壤碳和养分循环，甚至死亡昆虫分解的方式。

土壤病毒包含的基因似乎有一些代谢功能，但它们显然不是正常病毒复制所必需的。这些基因被称为辅助代谢基因(AMGs)，它们产生蛋白质，其中一些是具有多种功能的酶。到目前为止，科学家们一直想知道一些AMG蛋白是否在关键的土壤过程中发挥作用，如碳循环。为了找到更多关于土壤AMG的信息，研究人员确定了由特定AMG表达的蛋白质的原子结构。

具体来说，研究人员用美国能源部SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源(SSRL)光束线12-2产生的高亮度X射线照射易碎的结晶蛋白质样品。X射线击中了晶体样本中的蛋白质，揭示了它们的分子结构以及她们化妆背后的一点神秘。

AMG不像许多病毒基因那样帮助病毒复制。相反，它们编码多种蛋白质，每种蛋白质都有自己的预测功能。表达的AMG是一种推定的酶，在土壤如何处理和循环生物圈中的碳方面起着关键作用。

“我们看到了病毒蛋白质中每个原子的位置，这有助于我们了解它的功能，”SSRL高级研究员兼合著者Clyde Smith说。“我们惊讶地发现，这种蛋白质类似于相关细菌和真菌酶家族的已知原子结构，但也包含全新的片段。”

能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)的首席科学家兼合著者珍妮特·k·扬松说，详细的原子结构是前所未有的，并首次揭示了这种新酶的潜在机制，这种酶可能在土壤生态中发挥重要作用。

“我们与SLAC的合作使我们能够破译土壤病毒执行的以前未知的功能，”扬松说。

来自PNNL SSRL和美国能源部劳伦斯柏克莱国家实验室联合基因组研究所(JGI)的研究小组今天在《自然》杂志上发表了他们的成果自然通讯.

土壤病毒AMG产物的三维结构，一种被称为壳聚糖酶的酶。壳聚糖酶由两个结构域组成(绿色的结构域-1和粉色的结构域-2)。发生化学反应的活性部位用四根黄色和红色的棍子突出显示。鸣谢:克莱德·史密斯/SLAC国家加速器实验室

分解几丁质

研究人员认为，研究中的病毒AMG编码了一种对几丁质进行降解反应的酶。甲壳质是地球上仅次于纤维素的第二丰富的碳生物聚合物，是昆虫外骨骼和大多数真菌细胞壁的一部分。

研究中的病毒AMG被称为壳聚糖酶蛋白，通过序列分析被鉴定为糖基水解酶GH75家族的成员。这种蛋白质可以像花园锄头一样为土壤服务——也就是说，它是一种工具，有助于为蔬菜、树木、花卉和所有其他种类的生命准备土壤。

捕获壳聚糖酶蛋白的原子结构需要从晶体样品中获取5000多张图像。将这些图像拼凑在一起，揭示了该蛋白质的部分结构类似于糖基水解酶GH45家族中一组已知的碳水化合物代谢酶。然而，脱乙酰壳多糖酶蛋白包含其他分子片段，这些片段看起来不像在GH45或任何其他已知的蛋白质结构，这意味着它在土壤循环中的作用仍有待进一步研究，史密斯说。

“这种酶有一部分是全新的。作为一名结构生物学家，这让我感到兴奋——看到我们以前从未见过的东西，然后试图找出它的作用，”史密斯说。

史密斯说，未来的研究可能会导致理解为什么AMG首先存在，因为它们不会帮助病毒复制。此外，研究人员可以更多地了解土壤病毒携带的其他AMG，以及它们是否在土壤生态系统中发挥功能作用。

这一发现带来的一个大问题是，“土壤中的什么需要几丁质中的碳？””史密斯说对这类问题的回答将使我们对土壤中大量微生物的相互作用、营养物质和必需分子的运动以及土壤的整体健康有更深入的了解土地."

进一步探索

科学家发现新的土壤病毒