Bacterial cell gene expression Single-cell genomics in bacteria has lagged relative to in eukaryotes because of their tough bacterial cell walls, low messenger RNA content, and lack of many posttranscriptional modifications. To tackle this challenge, Kuchina et al. developed microbial split-pool ligation transcriptomics, or microSPLiT, a single-cell sequencing method for both Gram-negative and Gram-positive bacteria. Sequencing both Escherichia coli and Bacillus subtilis showed differences in the heat shock response. Examining B. subtilis transcriptional patterns revealed that a small fraction of cells grown in laboratory medium express a myo-inositol catabolism pathway, which the cell could use in nonlaboratory environments, thus highlighting how microSPLiT can identify rare cellular states. Science , this issue p. eaba5257

The design of modular protein logic for regulating protein function at the posttranscriptional level is a challenge for synthetic biology. Here, we describe the design of two-input AND, OR, NAND, NOR, XNOR, and NOT gates built from de novo-designed proteins. These gates regulate the association of arbitrary protein units ranging from split enzymes to transcriptional machinery in vitro, in yeast and in primary human T cells, where they control the expression of the TIM3 gene related to T cell exhaustion. Designed binding interaction cooperativity, confirmed by native mass spectrometry, makes the gates largely insensitive to stoichiometric imbalances in the inputs, and the modularity of the approach enables ready extension to three-input OR, AND, and disjunctive normal form gates. The modularity and cooperativity of the control elements, coupled with the ability to de novo design an essentially unlimited number of protein components, should enable the design of sophisticated posttranslational control logic over a wide range of biological functions.

Deep learning generative approaches provide an opportunity to broadly explore protein structure space beyond the sequences and structures of natural proteins. Here, we use deep network hallucination to generate a wide range of symmetric protein homo-oligomers given only a specification of the number of protomers and the protomer length. Crystal structures of seven designs are very similar to the computational models (median root mean square deviation: 0.6 angstroms), as are three cryo-electron microscopy structures of giant 10-nanometer rings with up to 1550 residues and C33 symmetry; all differ considerably from previously solved structures. Our results highlight the rich diversity of new protein structures that can be generated using deep learning and pave the way for the design of increasingly complex components for nanomachines and biomaterials.

Abstract Deep learning generative approaches provide an opportunity to broadly explore protein structure space beyond the sequences and structures of natural proteins. Here we use deep network hallucination to generate a wide range of symmetric protein homo-oligomers given only a specification of the number of protomers and the protomer length. Crystal structures of 7 designs are very close to the computational models (median RMSD: 0.6 Å), as are 3 cryoEM structures of giant rings with up to 1550 residues, C33 symmetry, and 10 nanometer in diameter; all differ considerably from previously solved structures. Our results highlight the rich diversity of new protein structures that can be created using deep learning, and pave the way for the design of increasingly complex nanomachines and biomaterials. One-sentence summary Deep network-based protein design enables the generation of cyclic homo-oligomers across the nanoscopic scale.

Abstract Molecular systems with coincident cyclic and superhelical symmetry axes have considerable advantages for materials design as they can be readily lengthened or shortened by changing the length of the constituent monomers. Among proteins, alpha helical coiled coils have such symmetric extendable architectures, but are limited by the relatively fixed geometry and flexibility of the helical protomers. Here, we describe a systematic approach to generating modular and rigid repeat protein oligomers with coincident C 2 to C 8 and superhelical symmetry axes that can be readily extended by repeat propagation. From these building blocks, we demonstrate that a wide range of unbounded fibers can be systematically designed by introducing hydrophilic surface patches that force staggering of the monomers; the geometry of such fibers can be precisely tuned by varying the number of repeat units in the monomer and the placement of the hydrophilic patches.

Four, eight or twenty C3 symmetric protein trimers can be arranged with tetrahedral, octahedral or icosahedral point group symmetry to generate closed cage-like structures1,2. Viruses access more complex higher triangulation number icosahedral architectures by breaking perfect point group symmetry3–9, but nature appears not to have explored similar symmetry breaking for tetrahedral or octahedral symmetries. Here we describe a general design strategy for building higher triangulation number architectures starting from regular polyhedra through pseudosymmetrization of trimeric building blocks. Electron microscopy confirms the structures of T = 4 cages with 48 (tetrahedral), 96 (octahedral) and 240 (icosahedral) subunits, each with 4 distinct chains and 6 different protein–protein interfaces, and diameters of 33 nm, 43 nm and 75 nm, respectively. Higher triangulation number viruses possess very sophisticated functionalities; our general route to higher triangulation number nanocages should similarly enable a next generation of multiple antigen-displaying vaccine candidates10,11 and targeted delivery vehicles12,13. Using viral capsid architectures as template for design, higher triangulation number nanocages that require symmetry breaking offer potential advances in targeted delivery and antigen-displaying vaccines.

Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) has become an essential tool for characterizing multi-celled eukaryotic systems but current methods are not compatible with bacteria. Here, we introduce microSPLiT, a low cost and high-throughput scRNA-seq method that works for gram-negative and gram-positive bacteria and can resolve transcriptional states that remain hidden at a population level. We applied microSPLiT to >25,000 Bacillus subtilis cells sampled from different growth stages, creating a detailed atlas of changes in metabolism and lifestyle. We not only retrieve detailed gene expression profiles associated with known but rare states such as competence and PBSX prophage induction, but also identify novel and unexpected gene expression states including heterogeneous activation of a niche metabolic pathway in a subpopulation of cells. microSPLiT empowers high-throughput analysis of gene expression in complex bacterial communities.

Abstract Four, eight or twenty C3 symmetric protein trimers can be arranged with tetrahedral (T-sym), octahedral (O-sym) or icosahedral (I-sym) point group symmetry to generate closed cage-like structures 1,2 . Generating more complex closed structures requires breaking perfect point group symmetry. Viruses do this in the icosahedral case using quasi-symmetry or pseudo-symmetry to access higher triangulation number architectures 3–9 , but nature appears not to have explored higher triangulation number tetrahedral or octahedral symmetries. Here, we describe a general design strategy for building T = 4 architectures starting from simpler T = 1 structures through pseudo-symmetrization of trimeric building blocks. Electron microscopy confirms the structures of T = 4 cages with 48 (T-sym), 96 (O-sym), and 240 (I-sym) subunits, each with four distinct chains and six different protein-protein interfaces, and diameters of 33nm, 43nm, and 75nm, respectively. Higher triangulation number viruses possess very sophisticated functionalities; our general route to higher triangulation number nanocages should similarly enable a next generation of multiple antigen displaying vaccine candidates 10,11 and targeted delivery vehicles 12,13 .

Abstract A wooden house frame consists of many different lumber pieces, but because of the regularity of these building blocks, the structure can be designed using straightforward geometrical principles. The design of multicomponent protein assemblies in comparison has been much more complex, largely due to the irregular shapes of protein structures 1 . Here we describe extendable linear, curved, and angled protein building blocks, as well as inter-block interactions that conform to specified geometric standards; assemblies designed using these blocks inherit their extendability and regular interaction surfaces, enabling them to be expanded or contracted by varying the number of modules, and reinforced with secondary struts. Using X-ray crystallography and electron microscopy, we validate nanomaterial designs ranging from simple polygonal and circular oligomers that can be concentrically nested, up to large polyhedral nanocages and unbounded straight “train track” assemblies with reconfigurable sizes and geometries that can be readily blueprinted. Because of the complexity of protein structures and sequence-structure relationships, it has not been previously possible to build up large protein assemblies by deliberate placement of protein backbones onto a blank 3D canvas; the simplicity and geometric regularity of our design platform now enables construction of protein nanomaterials according to “back of an envelope” architectural blueprints.

Pseudosymmetric hetero-oligomers with three or more unique subunits with overall structural (but not sequence) symmetry play key roles in biology, and systematic approaches for generating such proteins de novo would provide new routes to controlling cell signaling and designing complex protein materials. However, the de novo design of protein hetero-oligomers with three or more distinct chains with nearly identical structures is a challenging problem because it requires the accurate design of multiple protein-protein interfaces simultaneously. Here, we describe a divide-and-conquer approach that breaks the multiple-interface design challenge into a set of more tractable symmetric single-interface redesign problems, followed by structural recombination of the validated homo-oligomers into pseudosymmetric hetero-oligomers. Starting from de novo designed circular homo-oligomers composed of 9 or 24 tandemly repeated units, we redesigned the inter-subunit interfaces to generate 15 new homo-oligomers and recombined them to make 17 new hetero-oligomers, including ABC heterotrimers, A2B2 heterotetramers, and A3B3 and A2B2C2 heterohexamers which assemble with high structural specificity. The symmetric homo-oligomers and pseudosymmetric hetero-oligomers generated for each system share a common backbone, and hence are ideal building blocks for generating and functionalizing larger symmetric assemblies.