A new method is presented for treating the effects of quadruple excitations in coupled-cluster theory. In the approach, quadruple excitation contributions are computed from a formula based on a non-Hermitian perturbation theory analogous to that used previously to justify the usual noniterative triples correction used in the coupled cluster singles and doubles method with a perturbative treatment of the triple excitations (CCSD(T)). The method discussed in this paper plays a parallel role in improving energies obtained with the full coupled-cluster singles, doubles, and triples method (CCSDT) by adding a perturbative treatment of the quadruple excitations (CCSDT(Q)). The method is tested for an extensive set of examples, and is shown to provide total energies that compare favorably with those obtained with the full singles, doubles, triples, and quadruples (CCSDTQ) method.

Lignin is a major component of plant cell walls that is typically underutilized in selective conversion strategies for renewable fuels and chemicals. The mechanisms by which thermal and catalytic treatments deconstruct lignin remain elusive, which is where quantum mechanical calculations can offer fundamental insights. Here, we compute homolytic bond dissociation enthalpies (BDEs) for four prevalent linkages in 69 lignin model compounds, including β-O-4, α-O-4, β-5, and biphenyl bonds, with a large range of natural and oxidized substituents. These calculations include ab initio benchmark values extrapolated to the complete basis set limit and full conformational searches for each compound. The results quantify both the relative BDEs among common lignin bonds and the effect of native and oxidized substituents on the functional groups in lignin. These data yield insights into thermal lignin deconstruction for a large range of prevalent linkages and aid in the identification of targets for catalytic cleavage.

The recently developed high-accuracy extrapolated ab initio thermochemistry method for theoretical thermochemistry, which is intimately related to other high-precision protocols such as the Weizmann-3 and focal-point approaches, is revisited. Some minor improvements in theoretical rigor are introduced which do not lead to any significant additional computational overhead, but are shown to have a negligible overall effect on the accuracy. In addition, the method is extended to completely treat electron correlation effects up to pentuple excitations. The use of an approximate treatment of quadruple and pentuple excitations is suggested; the former as a pragmatic approximation for standard cases and the latter when extremely high accuracy is required. For a test suite of molecules that have rather precisely known enthalpies of formation {as taken from the active thermochemical tables of Ruscic and co-workers [Lecture Notes in Computer Science, edited by M. Parashar (Springer, Berlin, 2002), Vol. 2536, pp. 25–38; J. Phys. Chem. A 108, 9979 (2004)]}, the largest deviations between theory and experiment are 0.52, −0.70, and 0.51kJmol−1 for the latter three methods, respectively. Some perspective is provided on this level of accuracy, and sources of remaining systematic deficiencies in the approaches are discussed.

An Enzyme Drill Cellulase enzymes degrade the cell walls of plants by breaking down cellulose into its constituent sugar fragments and thus have attracted interest for biofuels production. Using transmission electron microscopy Brunecky et al. (p. 1513 ; see the Perspective by Berlin ) discovered that an especially active cellulase, CelA, from Caldicellulosiruptor bescii bacteria does not move along the surface of the substrate, but drills into the cellulose to form cavities.

Summary Carbohydrate binding modules (CBMs) are non-catalytic domains associated with cell wall degrading carbohydrate-active enzymes (CAZymes) that are often present in nature tethered to distinct catalytic domains (CD). Fluorescently labeled CBMs have been also used to visualize the presence of specific polysaccharides present in the cell wall of plant cells and tissues. Previous studies have provided a qualitative analysis of CBM-polysaccharide interactions, with limited characterization of optimal CBM designs for recognizing specific plant cell wall glycans. Furthermore, CBMs also have not been used to study cell wall regeneration in plant protoplasts. Here, we examine the dynamic interactions of engineered type-A CBMs (from families 3a and 64) with crystalline cellulose-I and phosphoric acid swollen cellulose (PASC). We generated tandem CBM designs to determine their binding parameters and reversibility towards cellulose-I using equilibrium binding assays. Kinetic parameters - adsorption ( k on ) and desorption ( k off ) rate constants-for CBMs towards nanocrystalline cellulose were determined using quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D). Our results indicate that tandem CBM3a exhibits a five-fold increased adsorption rate to cellulose compared to single CBM3a, making tandem CBM3a suitable for live-cell imaging applications. We next used engineered CBMs to visualize Arabidopsis thaliana protoplasts with regenerated cell walls using wide-field fluorescence and confocal laser scanning microscopy (CLSM). In summary, tandem CBMs offer a novel polysaccharide labeling probe for real-time visualization of growing cellulose chains in living Arabidopsis protoplasts.

Abstract Deconstruction of plant cell walls is imperative to global carbon cycling and sustainability efforts. Selected microbes degrade plant fibers using extremely efficient multi-enzymatic cellulosomes assemblies. Organization of cellulosomes on the bacterial cell surface and their ecological regulation remain elusive. By combining structural methodologies with molecular and biochemical approaches on the canonical Clostridium thermocellum system, we provide an unprecedented view into the in-situ structure and distribution of cellulosomal enzymes while interacting with their cellulosic substrate during fiber degradation. Structural exploration of growing cultures revealed isogenic phenotypic heterogeneity of cellulosome organization on single cells across the bacterial population, suggesting a division-of labor strategy driven by product-dependent dynamics. This study demonstrates how structural biology under near-physiological conditions can be employed to develop ecological hypotheses to understand microbial plant-fiber degradation at the single-cell nanoscale level. One Sentence Summary This study contributes critical insights into the in-situ organization of cellulosomes and their cellulosic substrates and provides evidence for phenotypic heterogeneity, with dynamic, growth phase-dependent organization of the fiber-degrading machinery.

Many anaerobic microorganisms use the bifunctional aldehyde and alcohol dehydrogenase enzyme, AdhE, to produce ethanol. One such organism is Clostridium thermocellum, which is of interest for cellulosic biofuel production. In the course of engineering this organism for improved ethanol tolerance and production, we observed that AdhE was a frequent target of mutations. Here, we characterized those mutations to understand their effects on enzymatic activity, as well ethanol tolerance and product formation in the organism. We found that there is a strong correlation between NADH-linked alcohol dehydrogenase (ADH) activity and ethanol tolerance. Mutations that decrease NADH-linked ADH activity increase ethanol tolerance; correspondingly, mutations that increase NADH-linked ADH activity decrease ethanol tolerance. We also found that the magnitude of ADH activity did not play a significant role in determining ethanol titer. Increasing ADH activity had no effect on ethanol titer. Reducing ADH activity had indeterminate effects on ethanol titer, sometimes increasing and sometimes decreasing it. Finally, this study shows that the cofactor specificity of ADH activity was found to be the primary factor affecting ethanol yield. We expect that these results will inform efforts to use AdhE enzymes in metabolic engineering approaches.

Acetylation of biomolecules is gaining increased attention due to both the abundance and importance of this modification across all kingdoms of life. Xylans are a major component of plant cell walls and are the third most abundant biopolymer in Nature. O-Acetyl moieties are the dominant backbone substituents of glucuronoxylan in dicots and play a major role in the polymer-polymer interactions that are crucial for proper wall architecture and normal plant development. Here, we describe the biochemical, structural, and mechanistic characterization of Arabidopsis thaliana xylan O-acetyltransferase 1 (AtXOAT1), a member of the plant-specific Trichome Birefrigence Like (TBL) family that catalyzes the 2-O-acetylation of xylan. A multipronged approach involving X?ray crystallography, biochemical analyses, mutagenesis, and molecular simulations show that XOAT1 catalyzes xylan acetylation through formation of an acyl-enzyme intermediate by a double displacement bi-bi mechanism involving a Ser-His-Asp catalytic triad and unconventionally employs an arginine residue in formation of an oxyanion hole.

Modern biological tools generate a wealth of data on metabolite and protein concentrations that can be used to help inform new strain designs. However, integrating these data sources to generate predictions of steady-state metabolism typically requires a kinetic description of the enzymatic reactions that occur within a cell. Parameterizing these kinetic models from biological data can be computationally difficult, especially as the amount of data increases. Robust methods must also be able to quantify the uncertainty in model parameters as a function of the available data, which can be particularly computationally intensive. The field of Bayesian inference offers a wide range of methods for estimating distributions in parameter uncertainty. However, these techniques are poorly suited to kinetic metabolic modeling due to the complex kinetic rate laws typically employed and the resulting dynamic system that must be solved. In this paper, we employ linear-logarithmic kinetics to simplify the calculation of steady-state flux distributions and enable efficient sampling and variational inference methods. We demonstrate that detailed information on the posterior distribution of kinetic model parameters can be obtained efficiently at a variety of different problem scales, including large-scale kinetic models trained on multiomics datasets. These results allow modern Bayesian machine learning tools to be leveraged in understanding biological data and developing new, efficient strain designs.

Genomes of extremely thermophilic Caldicellulosiruptorspecies encode novel cellulose binding proteins, tāpirins, located proximate to the type IV pilus locus. Previously, the C-terminal domain of a tāpirin (Calkro_0844) from Caldicellulosiruptor kronotskyensiswas shown to be structurally unique and have a cellulose binding affinity akin to family 3 carbohydrate binding modules (CBM3). Here, full-length and C-terminal versions of tāpirins from Caldicellulosiruptor bescii(Athe_1870), Caldicellulosiruptor hydrothermalis(Calhy_0908), Caldicellulosiruptor kristjanssonii(Calkr_0826), and Caldicellulosiruptor naganoensis(NA10_0869) were produced recombinantly in Escherichia coliand compared to Calkro_0844. All five tāpirins bound to microcrystalline cellulose, switchgrass, poplar, filter paper, but not to xylan. Densitometry analysis of bound protein fractions visualized by SDS-PAGE revealed that Calhy_0908 and Calkr_0826 (from weakly cellulolytic species) associated with the cellulose substrates to a greater extent than Athe_1870, Calkro_0844 and NA10_0869 (from strongly cellulolytic species), perhaps to associate closely with biomass to capture glucans released from lignocellulose by cellulases produced in Caldicellulosiruptor communities. Three-dimensional structures of the C-terminal binding regions of Calhy_0908 and Calkr_0826 were closely related to Calkro_0844, despite the fact that their amino acid sequence identities compared to Calkro_0844 were only 16% and 36%, respectively. Unlike the parent strain, C. bescii mutants lackingthe t?pirin genes did not bind to cellulose following short-term incubation, reinforcing the significance of these proteins in cell association with plant biomass. Given the scarcity of carbohydrates in neutral terrestrial hot springs, tāpirins likely help cells scavenge carbohydrates from lignocellulose to support growth and survival of Caldicellulosiruptorspecies.