每一把土壤中都有数十亿的细菌、真菌和病毒，它们都对生命循环的维系做出了贡献。了解这些微生物如何相互作用，可以让科学家更好地了解土壤健康、土壤碳和养分循环，甚至是死亡昆虫如何分解。

土壤病毒的特点是似乎有代谢作用的基因，但它们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，其中一些是具有各种作用的酶。科学家们以前曾猜测某些AMG蛋白是否在关键的土壤过程中发挥作用，如碳循环。为了进一步了解土壤中的AMGs，研究人员确定了由特定AMG表达的蛋白质的原子结构。

研究人员利用能源部(DOE)SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源(SSRL)12-2光束线产生的高亮度X射线来照射脆弱的结晶蛋白质样品。X射线击中了晶体样品中的蛋白质，暴露了它们的分子结构以及围绕其组成的一些谜团。

与许多病毒基因一样，AMGs并不帮助病毒复制。相反，它们对各种蛋白质进行编码，每一种都有自己的预测功能。被表达的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。

SSRL高级研究员和共同作者克莱德-史密斯说："我们看到了病毒蛋白中每个原子的位置，这有助于我们弄清楚它的功能。我们惊讶地看到，这种蛋白质与相关的细菌和真菌酶家族的已知原子结构相似，但也包含完全新的部分"。

美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)首席科学家兼共同作者Janet K. Jansson说，详细的原子结构是前所未有的，并首次揭示了这种新型酶的潜在机制，它可能在土壤生态学中发挥重要作用。

Jansson说："我们与SLAC的合作使我们能够破译土壤病毒所执行的以前未知的功能。"

来自SSRL、PNNL和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的联合基因组研究所(JGI)的研究团队最近在《自然-通讯》上发表了他们的成果。

分解甲壳素

研究人员认为，该研究中的病毒AMG编码了一种对甲壳素进行降解反应的酶。甲壳素是地球上仅次于纤维素的第二大碳生物聚合物，是昆虫外骨骼和大多数真菌细胞壁的一部分。

该研究中的病毒AMG被称为壳聚糖酶蛋白，从序列分析中被确定为糖基水解酶GH75家族的成员。这种蛋白质的作用可能就像土壤的花园锄头--也就是说，一种有助于为蔬菜、树木、花卉和所有其他种类的生命准备土壤的工具。

捕捉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后发现，该蛋白的部分结构与糖基水解酶GH45家族中已知的一组碳水化合物代谢酶相似。然而，壳聚糖酶蛋白含有其他分子片段，这些分子片段看起来不像GH45中的分子，也不像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、新颖的。史密斯说："作为一个结构生物学家，这就是让我感到兴奋的地方--看到我们以前没有见过的东西，然后试图弄清楚它的作用可能是什么。"未来的研究可能会使人们了解为什么AMGs首先会存在，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AMGs，以及它们是否在土壤生态系统中发挥着功能性作用。

"这一发现带出的一个大问题是，'土壤中的什么需要甲壳素中的碳?"史密斯说。"像这样的问题的答案将导致对土壤中众多微生物的相互作用、营养物质和基本分子的运动以及土壤的整体健康有更深的了解。"