La investigación arrojó nueva luz sobre los genes metabólicos auxiliares.
La proteína podría ser importante tanto en la descomposición del suelo como en el ciclo del carbono del suelo.
Hay miles de millones de bacterias, hongos y virus en cada puñado de suelo, todos los cuales contribuyen al sustento del ciclo de la vida. Comprender cómo estos microorganismos interactúan entre sí permite a los científicos comprender mejor la salud del suelo, el carbono del suelo y el ciclo de nutrientes, e incluso cómo se descomponen los insectos muertos.
Los virus del suelo presentan genes que parecen tener un papel metabólico, pero no son esenciales para la replicación viral normal. Estos genes se conocen como genes metabólicos auxiliares (AMG) y producen proteínas, algunas de las cuales son enzimas con una variedad de funciones. Los científicos han especulado previamente si ciertas proteínas AMG tienen un papel en procesos cruciales 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 específico.
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
Los investigadores utilizaron rayos X de alto brillo generados por la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) Beam Line 12-2 en el Departamento de Energía (DOE) Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC para irradiar frágiles muestras de proteínas cristalizadas. Los rayos X golpearon las proteínas en las muestras de cristal, exponiendo sus estructuras moleculares, así como parte del misterio que rodea 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 bacterianas y fúngicas 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 DOE Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y coautor, dijo.
“Nuestra colaboración con SLAC nos ha permitido descifrar funciones previamente desconocidas realizadas por virus del suelo”, dijo Jansson.
El equipo de investigación de SSRL, PNNL y el Joint Genome Institute (JGI) del DOE Laboratorio Nacional Lawrence Berkeleypublicó recientemente sus resultados en Comunicaciones de la naturaleza.
Romper 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 averiguar 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”.
Referencia: «Caracterización estructural de un producto génico metabólico auxiliar viral del suelo: una quitosanasa funcional» por Ruonan Wu, Clyde A. Smith, Garry W. Buchko, Ian K. Blaby, David Paez-Espino, Nikos C. Kyrpides, Yasuo Yoshikuni, Jason E. McDermott, Kirsten S. Hofmockel, John R. Cort y Janet K. Jansson, 19 de septiembre de 2022, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-022-32993-8
El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental (BER) del DOE, JGI y el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales (EMSL) del DOE. El proyecto fue iniciado por investigadores del PNNL a través del microbioma del suelo SFA financiado por BER. También fue apoyado por una subvención de FICUS para el apoyo de JGI y EMSL. El Programa de Biología Molecular Estructural en SSRL cuenta con el respaldo del BER del DOE y de los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales.
