The MPI Bioinformatics Toolkit (https://toolkit.tuebingen.mpg.de) provides interactive access to a wide range of the best-performing bioinformatics tools and databases, including the state-of-the-art protein sequence comparison methods HHblits and HHpred. The Toolkit currently includes 35 external and in-house tools, covering functionalities such as sequence similarity searching, prediction of sequence features, and sequence classification. Due to this breadth of functionality, the tight interconnection of its constituent tools, and its ease of use, the Toolkit has become an important resource for biomedical research and for teaching protein sequence analysis to students in the life sciences. In this article, we provide detailed information on utilizing the three most widely accessed tools within the Toolkit: HHpred for the detection of homologs, HHpred in conjunction with MODELLER for structure prediction and homology modeling, and CLANS for the visualization of relationships in large sequence datasets. © 2020 The Authors. Basic Protocol 1: Sequence similarity searching using HHpred Alternate Protocol: Pairwise sequence comparison using HHpred Support Protocol: Building a custom multiple sequence alignment using PSI-BLAST and forwarding it as input to HHpred Basic Protocol 2: Calculation of homology models using HHpred and MODELLER Basic Protocol 3: Cluster analysis using CLANS.

The MPI Bioinformatics Toolkit (http://toolkit.tuebingen.mpg.de) is an open, interactive web service for comprehensive and collaborative protein bioinformatic analysis. It offers a wide array of interconnected, state-of-the-art bioinformatics tools to experts and non-experts alike, developed both externally (e.g. BLAST+, HMMER3, MUSCLE) and internally (e.g. HHpred, HHblits, PCOILS). While a beta version of the Toolkit was released 10 years ago, the current production-level release has been available since 2008 and has serviced more than 1.6 million external user queries. The usage of the Toolkit has continued to increase linearly over the years, reaching more than 400 000 queries in 2015. In fact, through the breadth of its tools and their tight interconnection, the Toolkit has become an excellent platform for experimental scientists as well as a useful resource for teaching bioinformatic inquiry to students in the life sciences. In this article, we report on the evolution of the Toolkit over the last ten years, focusing on the expansion of the tool repertoire (e.g. CS-BLAST, HHblits) and on infrastructural work needed to remain operative in a changing web environment.

The seemingly limitless diversity of proteins in nature arose from only a few thousand domain prototypes, but the origin of these themselves has remained unclear. We are pursuing the hypothesis that they arose by fusion and accretion from an ancestral set of peptides active as co-factors in RNA-dependent replication and catalysis. Should this be true, contemporary domains may still contain vestiges of such peptides, which could be reconstructed by a comparative approach in the same way in which ancient vocabularies have been reconstructed by the comparative study of modern languages. To test this, we compared domains representative of known folds and identified 40 fragments whose similarity is indicative of common descent, yet which occur in domains currently not thought to be homologous. These fragments are widespread in the most ancient folds and enriched for iron-sulfur- and nucleic acid-binding. We propose that they represent the observable remnants of a primordial RNA-peptide world.

Proteins are central to all of the processes of life. For their activity, they almost invariably need to interact with other macromolecules, be they nucleic acids, membranes, glycans, or other proteins. The interaction between proteins is indeed the most common mode of macromolecular interaction underpinning living systems. To understand these systems at a molecular level, it is therefore essential to identify and characterize their constituent protein-protein interactions. Despite an unprecedented growth in our knowledge of complete proteomes across all domains of life, both at the sequence level and increasingly at the structure level, the inherently low accuracy and molecular resolution of many techniques have made the characterization of protein-protein interactions one of the grand challenges of molecular biology. In this review, we survey both computational and experimental techniques for the medium- to high-throughput characterization of protein-protein interactions and discuss the potential of integrative approaches, given recent advances in sequence analysis and structure prediction.

Abstract Motivation The detection of homology through sequence comparison is a typical first step in the study of protein function and evolution. In this work, we explore the applicability of protein language models to this task. Results We introduce pLM-BLAST, a tool inspired by BLAST, that detects distant homology by comparing single-sequence representations (embeddings) derived from a protein language model, ProtT5. Our benchmarks reveal that pLM-BLAST maintains a level of accuracy on par with HHsearch for both highly similar sequences (with over 50% identity) and markedly divergent sequences (with less than 30% identity), while being significantly faster. Additionally, pLM-BLAST stands out among other embedding-based tools due to its ability to compute local alignments. We show that these local alignments, produced by pLM-BLAST, often connect highly divergent proteins, thereby highlighting its potential to uncover previously undiscovered homologous relationships and improve protein annotation. Availability and Implementation pLM-BLAST is accessible via the MPI Bioinformatics Toolkit as a web server for searching precomputed databases ( https://toolkit.tuebingen.mpg.de/tools/plmblast ). It is also available as a standalone tool for building custom databases and performing batch searches ( https://github.com/labstructbioinf/pLM-BLAST ).

Histones are essential for genome compaction and transcription regulation in eukaryotes, where they assemble into octamers to form the nucleosome core. In contrast, archaeal histones assemble into dimers that form hypernucleosomes upon DNA binding. Although histone homologs have been identified in bacteria recently, their DNA-binding characteristics remain largely unexplored. Our study reveals that the bacterial histone HBb (Bd0055) is indispensable for the survival of Bdellovibrio bacteriovorus, suggesting critical roles in DNA organization and gene regulation. By determining crystal structures of free and DNA-bound HBb, we unveil its distinctive dimeric assembly, diverging from those of eukaryotic and archaeal histones, while also elucidating how it binds and bends DNA through interaction interfaces reminiscent of eukaryotic and archaeal histones. Building on this, by employing various biophysical and biochemical approaches, we further substantiated the ability of HBb to bind and compact DNA by bending in a sequence-independent manner. Finally, using DNA affinity purification and sequencing, we reveal that HBb binds along the entire genomic DNA of B. bacteriovorus without sequence specificity. These distinct DNA-binding properties of bacterial histones, showcasing remarkable similarities yet significant differences from their archaeal and eukaryotic counterparts, highlight the diverse roles histones play in DNA organization across all domains of life.

Abstract Nitrosopumilus maritimus is an ammonia-oxidizing archaeon that is crucial to the global nitrogen cycle 1,2 . A critical step for nitrogen oxidation is the entrapment of ammonium ions from a dilute marine environment at the cell surface and their subsequent channelling to the cell membrane of N. maritimus . Here we elucidate the structure of the molecular machinery responsible for this process, comprising the surface layer (S-layer), using electron cryotomography and subtomogram averaging from cells. We supplemented our in situ structure of the ammonium-binding S-layer array with a single-particle electron cryomicroscopy structure, revealing detailed features of this immunoglobulin-rich and glycan-decorated S-layer. Biochemical analyses showed strong ammonium binding by the cell surface, which was lost after S-layer disassembly. Sensitive bioinformatic analyses identified similar S-layers in many ammonia-oxidizing archaea, with conserved sequence and structural characteristics. Moreover, molecular simulations and structure determination of ammonium-enriched specimens enabled us to examine the cation-binding properties of the S-layer, revealing how it concentrates ammonium ions on its cell-facing side, effectively acting as a multichannel sieve on the cell membrane. This in situ structural study illuminates the biogeochemically essential process of ammonium binding and channelling, common to many marine microorganisms that are fundamental to the nitrogen cycle.

Abstract Histones are essential for genome compaction and transcription regulation in eukaryotes, where they assemble into octamers to form the nucleosome core. In contrast, archaeal histones assemble into dimers that form hypernucleosomes upon DNA binding. Although histone homologs have recently been identified in bacteria, their DNA-binding characteristics remain largely unexplored. Our study reveals that the bacterial histone HBb is indispensable for the survival of Bdellovibrio bacteriovorus , suggesting critical roles in DNA organization and gene regulation. We also elucidate the crystal structure of the HBb dimer at 1.06 Å resolution and employ various biophysico-chemical approaches to show its ability to bind and compact DNA in a sequence-independent manner. This binding induces DNA bending, similar to that observed with bacterial HU/IHF family proteins. Finally, using DNA affinity purification and sequencing, we reveal that HBb binds along the entire genomic DNA of B. bacteriovorus without sequence specificity. These unique DNA-binding properties of bacterial histones, distinct from their archaeal and eukaryotic counterparts, highlight the diverse roles that histones can play in DNA organization across the domains of life. Author Summary Histones, traditionally known for organizing and regulating DNA in eukaryotes and archaea, have recently been discovered in bacteria, opening up a new frontier in our understanding of genome organization across the domains of life. Our study investigates the largely unexplored DNA-binding properties of bacterial histones, focusing on HBb in Bdellovibrio bacteriovorus . We reveal that HBb is essential for bacterial survival and exhibits DNA-binding akin to the bacterial nucleoid-associated HU/IHF family proteins. Contrary to eukaryotic and archaeal histones that wrap DNA, HBb bends DNA without sequence specificity. This work not only broadens our understanding of DNA organization across different life forms but also suggests that bacterial histones may have diverse roles in genome organization, distinct from their eukaryotic and archaeal counterparts.

Abstract Deinococcus radiodurans is a deep-branching extremophilic bacterium that is remarkably tolerant to numerous environmental stresses, including large doses of ultraviolet radiation and extreme temperatures. It can even survive in outer space for several years. This endurance of D. radiodurans has been partly ascribed to its atypical cell envelope comprising an inner membrane, a large periplasmic space with a thick peptidoglycan (PG) layer, and an outer membrane (OM) covered by a surface layer (S-layer). Despite intense research, molecular principles governing envelope organization and OM stabilization are unclear in D. radiodurans and related bacteria. Here, we report an electron cryomicroscopy (cryo-EM) structure of the abundant D. radiodurans OM protein SlpA, showing how its C-terminal segment forms homotrimers of 30-stranded β-barrels in the OM, whereas its N-terminal segment forms long, homotrimeric coiled coils linking the OM to the PG layer via S-layer homology (SLH) domains. Using the power of structure prediction and sequence-based bioinformatics, we further show that SlpA-like proteins are widespread in deep-branching Gram-negative bacteria, plausibly constituting an ancestral superfamily of OM-PG connectors, important for organizing the cell envelopes of many bacteria. Finally, combining our atomic structures with tomography of cell envelopes, we report a model for the cell surface of D. radiodurans , with implications on understanding the cell surface organization and hyperstability of D. radiodurans and related bacteria. Furthermore, the widespread occurrence of SlpA-like OM-PG connectors in deep-branching bacteria will help in understanding the evolutionary transition between Gram-negative and Gram-positive bacteria.