每一把土壤中都有數十億的細菌、真菌和病毒，它們都對生命循環的維繫做出了貢獻。了解這些微生物如何相互作用，可以讓科學家更好地了解土壤健康、土壤碳和養分循環，甚至是死亡昆蟲如何分解。

土壤病毒的特點是似乎有代謝作用的基因，但它們不是正常病毒複製所必需的。這些基因被稱為輔助代謝基因（AMGs），它們產生蛋白質，其中一些是具有各種作用的酶。科學家們以前曾猜測某些AMG蛋白是否在關鍵的土壤過程中發揮作用，如碳循環。為了進一步了解土壤中的AMGs，研究人員確定了由特定AMG表達的蛋白質的原子結構。

研究人員利用能源部（DOE）SLAC國家加速器實驗室的斯坦福同步輻射光源（SSRL）12-2光束線產生的高亮度X射線來照射脆弱的結晶蛋白質樣品。X射線擊中了晶體樣品中的蛋白質，暴露了它們的分子結構以及圍繞其組成的一些謎團。

與許多病毒基因一樣，AMGs並不幫助病毒複製。相反，它們對各種蛋白質進行編碼，每一種都有自己的預測功能。被表達的AMG是一種推定的酶，在土壤如何處理和循環生物圈中的碳方面起著關鍵作用。

SSRL高級研究員和共同作者克萊德-史密斯說：”我們看到了病毒蛋白中每個原子的位置，這有助於我們弄清楚它的功能。我們驚訝地看到，這種蛋白質與相關的細菌和真菌酶家族的已知原子結構相似，但也包含完全新的部分”。

美國能源部西北太平洋國家實驗室（PNNL）首席科學家兼共同作者Janet K. Jansson說，詳細的原子結構是前所未有的，並首次揭示了這種新型酶的潛在機制，它可能在土壤生態學中發揮重要作用。

Jansson說：”我們與SLAC的合作使我們能夠破譯土壤病毒所執行的以前未知的功能。”

來自SSRL、PNNL和美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的聯合基因組研究所（JGI）的研究團隊最近在《自然-通訊》上發表了他們的成果。

分解甲殼素

研究人員認為，該研究中的病毒AMG編碼了一種對甲殼素進行降解反應的酶。甲殼素是地球上僅次於纖維素的第二大碳生物聚合物，是昆蟲外骨骼和大多數真菌細胞壁的一部分。

該研究中的病毒AMG被稱為殼聚醣酶蛋白，從序列分析中被確定為糖基水解酶GH75家族的成員。這種蛋白質的作用可能就像土壤的花園鋤頭–也就是說，一種有助於為蔬菜、樹木、花卉和所有其他種類的生命準備土壤的工具。

捕捉殼聚醣酶蛋白的原子結構需要從晶體樣品中獲取5000多張圖像。將這些圖像拼湊在一起後發現，該蛋白的部分結構與糖基水解酶GH45家族中已知的一組碳水化合物代謝酶相似。然而，殼聚醣酶蛋白含有其他分子片段，這些分子片段看起來不像GH45中的分子，也不像任何其他已知的蛋白質結構，這意味著它在土壤循環中的作用仍有待進一步研究，史密斯說。

這種酶有一部分是全新的、新穎的。史密斯說：”作為一個結構生物學家，這就是讓我感到興奮的地方–看到我們以前沒有見過的東西，然後試圖弄清楚它的作用可能是什麼。”未來的研究可能會使人們了解為什麼AMGs首先會存在，因為它們不會幫助病毒複製。此外，研究人員可以更多地了解土壤病毒攜帶的其他AMGs，以及它們是否在土壤生態系統中發揮著功能性作用。

“這一發現帶出的一個大問題是，’土壤中的什麼需要甲殼素中的碳？”史密斯說。”像這樣的問題的答案將導致對土壤中眾多微生物的相互作用、營養物質和基本分子的運動以及土壤的整體健康有更深的了解。”