Deep learning takes on protein folding In 1972, Anfinsen won a Nobel prize for demonstrating a connection between a protein’s amino acid sequence and its three-dimensional structure. Since 1994, scientists have competed in the biannual Critical Assessment of Structure Prediction (CASP) protein-folding challenge. Deep learning methods took center stage at CASP14, with DeepMind’s Alphafold2 achieving remarkable accuracy. Baek et al . explored network architectures based on the DeepMind framework. They used a three-track network to process sequence, distance, and coordinate information simultaneously and achieved accuracies approaching those of DeepMind. The method, RoseTTA fold, can solve challenging x-ray crystallography and cryo–electron microscopy modeling problems and generate accurate models of protein-protein complexes. —VV

Building with designed proteins General design principles for protein interaction specificity are challenging to extract. DNA nanotechnology, on the other hand, has harnessed the limited set of hydrogen-bonding interactions from Watson-Crick base-pairing to design and build a wide range of shapes. Protein-based materials have the potential for even greater geometric and chemical diversity, including additional functionality. Boyken et al. designed a class of protein oligomers that have interaction specificity determined by modular arrays of extensive hydrogen bond networks (see the Perspective by Netzer and Fleishman). They use the approach, which could one day become programmable, to build novel topologies with two concentric rings of helices. Science , this issue p. 680 ; see also p. 657

Abstract DeepMind presented remarkably accurate protein structure predictions at the CASP14 conference. We explored network architectures incorporating related ideas and obtained the best performance with a 3-track network in which information at the 1D sequence level, the 2D distance map level, and the 3D coordinate level is successively transformed and integrated. The 3-track network produces structure predictions with accuracies approaching those of DeepMind in CASP14, enables rapid solution of challenging X-ray crystallography and cryo-EM structure modeling problems, and provides insights into the functions of proteins of currently unknown structure. The network also enables rapid generation of accurate models of protein-protein complexes from sequence information alone, short circuiting traditional approaches which require modeling of individual subunits followed by docking. We make the method available to the scientific community to speed biological research. One-Sentence Summary Accurate protein structure modeling enables rapid solution of structure determination problems and provides insights into biological function.

Abstract Triacetic acid lactone (TAL) is a platform chemical biosynthesized primarily through decarboxylative Claisen condensation by type III polyketide synthase 2-pyrone synthase (2-PS). However, this reaction suffers from intrinsic energy inefficiency and feedback inhibition by and competition for malonyl-CoA. TAL production through non-decarboxylative Claisen condensation by polyketoacyl-CoA thiolase alleviates many of these disadvantages. We discovered five more thiolases with TAL production activity by exploring homologs of a previously reported polyketoacyl-CoA thiolase, BktB, from Cupriavidus necator . Among them, the BktB homolog from Burkholderia sp. RF2-non_BP3 has ∼ 30 times higher in vitro and in vivo TAL production activity and led to ∼10 times higher TAL titer than 2-PS when expressed in Escherichia coli , achieving a titer of 2.8 g/L in fed-batch fermentations. This discovery of a novel polyketoacyl-CoA thiolase with superior TAL production activity paves the way for realization of total biomanufacturing of TAL.

Due to low abundance in many staple food crops, the essential amino acid lysine must be produced industrially to meet global food supply needs. Despite intensive study, manipulation, and agricultural importance, the steps of plant lysine catabolism beyond the 2-oxoadipate (2OA) intermediate remain undescribed. Recently we described a missing step in the D-lysine catabolic pathway of the bacterium Pseudomonas putida in which 2OA is converted to D-2-hydroxyglutarate (D2HG) via hydroxyglutarate synthase (HglS), an enzyme belonging to the previously uncharacterized DUF1338 protein family. Here we solve the structure of HglS to 1.1 angstrom resolution in the substrate-free form and in complex with 2OA. Structural similarity to hydroxymandelate synthase suggested a successive decarboxylation and intramolecular hydroxylation mechanism forming 2HG in a Fe(II)- and O2-dependent manner, which is validated experimentally. 2OA specificity was mediated by a single arginine (R74), highly conserved across nearly all DUF1338 family proteins, including in 76% of plant enzymes. In Arabidopsis thaliana, a DUF1338 homolog is coexpressed with known lysine catabolism enzymes, and mutants show significant germination rate defects consistent with disrupted lysine catabolism. Structural and biochemical analysis of the Oryza sativa homolog FLO7 revealed identical activity to HglS despite low sequence identity. Our results suggest that nearly all DUF1338 containing enzymes likely catalyze the same biochemical reaction, exerting the same physiological function across bacteria and eukaryotes.

Glycosylation is a predominant strategy plants employ to fine-tune the properties of small molecule metabolites to affect their bioactivity, transport, and storage. It is also important in biotechnology and medicine as many glycosides are utilized in human health. Small molecule glycosylation is largely carried out by family 1 glycosyltransferases. Here, we report a structural and biochemical investigation of UGT95A1, a family 1 GT enzyme from Pilosella officinarum that exhibits a strong, unusual regiospecificity for the 3'-O position of flavonoid acceptor substrate luteolin. We obtained an apo crystal structure to help drive the analyses of a series of binding site mutants, revealing that while most residues are tolerant to mutations, key residues M145 and D464 are important for overall glycosylation activity. Interestingly, E347 is crucial for maintaining the strong preference for 3'-O glycosylation, while R462 can be mutated to increase regioselectivity. The structural determinants of regioselectivity were further confirmed in homologous enzymes. Our study also suggests that the enzyme contains large, highly dynamic, disordered regions. We showed that while most disordered regions of the protein have little to no implication in catalysis, the disordered regions conserved among investigated homologues are important to both the overall efficiency and regiospecificity of the enzyme. This report represents a comprehensive in-depth analysis of a family 1 GT enzyme with a unique substrate regiospecificity and may provide a basis for enzyme functional prediction and engineering.

Terminal alkenes are easily derivatized, making them desirable functional group targets for polyketide synthase (PKS) engineering. However, they are rarely encountered in natural PKS systems. One mechanism for terminal alkene formation in PKSs is through the activity of an acyl-CoA dehydrogenase (ACAD). Herein, we use biochemical and structural analysis to understand the mechanism of terminal alkene formation catalyzed by an γ,δ-ACAD from the biosynthesis of the polyketide natural product FK506, TcsD. While TcsD is homologous to canonical α,β-ACADs, it acts regioselectively at the γ,δ-position and only on α,β-unsaturated substrates. Furthermore, this regioselectivity is controlled by a combination of bulky residues in the active site and a lateral shift in the positioning of the FAD cofactor within the enzyme. Substrate modeling suggests that TcsD utilizes a novel set of hydrogen bond donors for substrate activation and positioning, preventing dehydrogenation at the α,β position of substrates. From the structural and biochemical characterization of TcsD, key residues that contribute to regioselectivity and are unique to the protein family were determined and used to identify other putative γ,δ-ACADs that belong to diverse natural product biosynthetic gene clusters. These predictions are supported by the demonstration that a phylogenetically distant homolog of TcsD also regioselectively oxidizes α,β-unsaturated substrates. This work exemplifies a powerful approach to understand unique enzymatic reactions and will facilitate future enzyme discovery, inform enzyme engineering, and aid natural product characterization efforts.

The pectin rhamnogalacturonan II (RG-II) is an extraordinarily complex plant carbohydrate, crucial for developmental processes. RG-II contains over 20 distinct glycosidic linkages involving 12 distinct sugars; its biosynthesis is predicted to require numerous glycosyltransferases (GTs). RG-II9s low abundance in the plant cell wall belies its vital role in plant development. Minor structural modifications lead to lethality or severe growth impairment, posing significant challenges for GT identification via reverse genetics. Here we developed a novel method to generate viable loss-of-function Arabidopsis mutants in callus tissue via gene editing. We combined this with a candidate gene approach to characterize the GT29 RCKT1/MGP2. Analysis of rckt1 callus revealed a loss of 3-deoxy-D-manno-octulosonic acid (Kdo) from RG-II sidechain C, suggesting RCKT19s role as the RG-II CMP-beta-Kdo transferase1. RCKT1 becomes only the second confirmed GT implicated in RG-II biosynthesis. This discovery provides insight into RG-II9s structural impact on plant cell walls, as well as a method to further uncover the machinery required for the synthesis of this enigmatic polymer.

Despite intensive study for 50 years, the biochemical and genetic links between lysine metabolism and central metabolism in Pseudomonas putida remain unresolved. To establish these biochemical links we leveraged Random Barcode Transposon Sequencing (RB-TnSeq), a genome-wide assay measuring the fitness of thousands of genes in parallel, to identify multiple novel enzymes in both L- and D-lysine metabolism. We first describe three pathway enzymes that catabolize L-2-aminoadipate (L-2AA) to 2-ketoglutarate (2KG), connecting D-lysine to the TCA cycle. One of these enzymes, PP_5260, contains a DUF1338 domain, a family with no previously described biological function. Our work also identified the recently described CoA independent route of L-lysine degradation that metabolizes to succinate. We expanded on previous findings by demonstrating that glutarate hydroxylase CsiD is promiscuous in its 2-oxoacid selectivity. Proteomics of select pathway enzymes revealed that expression of catabolic genes is highly sensitive to particular pathway metabolites, implying intensive local and global regulation. This work demonstrates the utility of RB-TnSeq for discovering novel metabolic pathways in even well-studied bacteria, as well as a powerful tool for validating previous research.