Abstract The CASTEP code for first principles electronic structure calculations will be described. A brief, non-technical overview will be given and some of the features and capabilities highlighted. Some features which are unique to CASTEP will be described and near-future development plans outlined.

First-principles simulation, meaning density-functional theory calculations with plane waves and pseudopotentials, has become a prized technique in condensed-matter theory. Here I look at the basics of the suject, give a brief review of the theory, examining the strengths and weaknesses of its implementation, and illustrating some of the ways simulators approach problems through a small case study. I also discuss why and how modern software design methods have been used in writing a completely new modular version of the CASTEP code.

A comparison of DFT methods Density functional theory (DFT) is now routinely used for simulating material properties. Many software packages are available, which makes it challenging to know which are the best to use for a specific calculation. Lejaeghere et al. compared the calculated values for the equation of states for 71 elemental crystals from 15 different widely used DFT codes employing 40 different potentials (see the Perspective by Skylaris). Although there were variations in the calculated values, most recent codes and methods converged toward a single value, with errors comparable to those of experiment. Science , this issue p. 10.1126/science.aad3000 ; see also p. 1394

Defects usually play an important role in tailoring various properties of two-dimensional materials. Defects in two-dimensional monolayer molybdenum disulphide may be responsible for large variation of electric and optical properties. Here we present a comprehensive joint experiment-theory investigation of point defects in monolayer molybdenum disulphide prepared by mechanical exfoliation, physical and chemical vapour deposition. Defect species are systematically identified and their concentrations determined by aberration-corrected scanning transmission electron microscopy, and also studied by ab-initio calculation. Defect density up to 3.5 × 10(13) cm(-2) is found and the dominant category of defects changes from sulphur vacancy in mechanical exfoliation and chemical vapour deposition samples to molybdenum antisite in physical vapour deposition samples. Influence of defects on electronic structure and charge-carrier mobility are predicted by calculation and observed by electric transport measurement. In light of these results, the growth of ultra-high-quality monolayer molybdenum disulphide appears a primary task for the community pursuing high-performance electronic devices.

Density functional theory (DFT) has been used in many fields of the physical sciences, but none so successfully as in the solid state. From its origins in condensed matter physics, it has expanded into materials science, high-pressure physics and mineralogy, solid-state chemistry and more, powering entire computational subdisciplines. Modern DFT simulation codes can calculate a vast range of structural, chemical, optical, spectroscopic, elastic, vibrational and thermodynamic phenomena. The ability to predict structure-property relationships has revolutionized experimental fields, such as vibrational and solid-state NMR spectroscopy, where it is the primary method to analyse and interpret experimental spectra. In semiconductor physics, great progress has been made in the electronic structure of bulk and defect states despite the severe challenges presented by the description of excited states. Studies are no longer restricted to known crystallographic structures. DFT is increasingly used as an exploratory tool for materials discovery and computational experiments, culminating in ex nihilo crystal structure prediction, which addresses the long-standing difficult problem of how to predict crystal structure polymorphs from nothing but a specified chemical composition. We present an overview of the capabilities of solid-state DFT simulations in all of these topics, illustrated with recent examples using the CASTEP computer program.

Abstract Using first principles calculations, we show that $$\hbox {Li}_x\hbox {Al}_y\hbox {B}_{2(x+y)}$$ materials have strong electron-phonon coupling, with many having a superconducting critical temperature ( $$T_c$$ ) that exceeds that of the more familiar $$\hbox {MgB}_2$$ at ambient pressure. In particular, we find that $$\hbox {LiAlB}_4$$ is the most stable member of the family, with $$T_c > 44\,\hbox {K}$$ whilst the peak $$T_c$$ is with $$\hbox {Li}_3\hbox {AlB}_8$$ which has $$T_c > 77\,\hbox {K}$$ . Our results reveal that these materials are both thermodynamically and dynamically stable, with strong electron-phonon coupling, indicating significant potential for practical superconducting applications.

Disseminated infections with the fungal species Cryptococcus neoformans or, less frequently, C. gattii, are a leading cause of mortality in immunocompromised individuals. Central to the virulence of both species is an elaborate polysaccharide capsule that consists predominantly of glucuronoxylomannan (GXM). Due to its abundance, GXM is an ideal target for host antibodies, and several monoclonal antibodies (mAbs) have previously been derived using purified GXM or whole capsular preparations as antigen. In addition to their application in the diagnosis of cryptococcosis, anti-GXM mAbs are invaluable tools for studying capsule structure. In this study, we report the production and characterisation of a novel anti-GXM mAb, Crp127, that unexpectedly reveals a role for GXM remodelling during the process of fungal Titanization. We show that Crp127 recognises a GXM epitope in an O-acetylation dependent, but xylosylation-independent, manner. The epitope is differentially expressed by the four main serotypes of Cryptococcus neoformans and gattii, is heterogeneously expressed within clonal populations of C. gattii serotype B strains and is typically confined to the central region of the enlarged capsule. Uniquely, however, this epitope redistributes to the capsular surface in Titan cells, a recently recognised subset of giant fungal cells that are produced in the host lung and are critical for successful infection. Crp127 therefore highlights hitherto unexpected features of cryptococcal morphological change and may hold significant therapeutic potential in differentially identifying cryptococcal strains and subtypes.

The double-helical structure of DNA results from canonical base pairing and stacking interactions. However, variations from steady-state conformations result from mechanical perturbations in cells. These different topologies have physiological relevance but their dependence on sequence remains unclear. Here, we use molecular dynamics simulations to show that sequence differences result in markedly different structural motifs upon physiological twisting and stretching. We simulated overextension on four different sequences of DNA ((AA)12, (AT)12, (GG)12 and (GC)12) with supercoiling densities within the physiological range. We found that DNA denatures in the majority of stretching simulations, surprisingly including those with overtwisted DNA. GC-rich sequences were observed to be more stable than AT-rich, with the specific response dependent on base pair ordering. Furthermore, we found that (AT)12 forms stable periodic structures with non-canonical hydrogen bonds in some regions and non-canonical stacking in others, whereas (GC)12 forms a stacking motif of four base pairs independent of supercoiling density. Our results demonstrate that 20-30% DNA extension is sufficient for breaking B-DNA around and significantly above cellular supercoiling, and that the DNA sequence is crucial for understanding structural changes under mechanical stress. Our findings have important implications for the activities of protein machinery interacting with DNA in all cells.

Environmentally ubiquitous fungal spores of the Mucorales order cause acute invasive infections through germination and evasion of the mammalian host immune system. Early phagocyte control of spore germination plays a key role in controlling infection, yet swelling Mucorales spores evade phagocytosis through an unknown mechanism. Here we investigate fungal immune evasion in a clinical isolate of Rhizopus microsporus and reveal the role of a bacterial endosymbiont, Ralsonia pickettii, in fungal pathogenesis. Analysis of phagocytosis rates in wild type and cured fungal isolates demonstrates a role for the endosymbiont in immune cell evasion through disruption of the cytoskeleton and phagosome maturation. Further analysis of bacterial secreted products revealed the presence of a previously uncharacterized secondary metabolite whose production is induced by the presence of the fungus. Analysis of the bacterial genome and condition-dependent RNAseq implicate a cryptic type I polyketide synthase. Subsequent analysis of wild type and cured spores in a zebrafish larvae model of infection demonstrate a role for the endosymbiont in suppressing macrophage and neutrophil recruitment to the site of infection. Finally, we demonstrate that this has implications for fungal clearance in an immunocompetent murine model of infection. Together, these findings identify for the first time a role for a bacterial endosymbiont in the pathogenesis of Rhizopus microsporus during animal infection