Abstract A novel method for differentiating between correctly and incorrectly determined regions of protein structures based on characteristic atomic interactions is described. Different types of atoms are distributed nonrandomly with respect to each other in proteins. Errors in model building lead to more randomized distributions of the different atom types, which can be distinguished from correct distributions by statistical methods. Atoms are classified in one of three categories: carbon (C), nitrogen (N), and oxygen (O). This leads to six different combinations of pairwise noncovalently bonded interactions (CC, CN, CO, NN, NO, and OO). A quadratic error function is used to characterize the set of pairwise interactions from nine‐residue sliding windows in a database of 96 reliable protein structures. Regions of candidate protein structures that are mistraced or misregistered can then be identified by analysis of the pattern of nonbonded interactions from each window.

A computational method is proposed for inferring protein interactions from genome sequences on the basis of the observation that some pairs of interacting proteins have homologs in another organism fused into a single protein chain. Searching sequences from many genomes revealed 6809 such putative protein-protein interactions in Escherichia coli and 45,502 in yeast. Many members of these pairs were confirmed as functionally related; computational filtering further enriches for interactions. Some proteins have links to several other proteins; these coupled links appear to represent functional interactions such as complexes or pathways. Experimentally confirmed interacting pairs are documented in a Database of Interacting Proteins.

Determining protein functions from genomic sequences is a central goal of bioinformatics. We present a method based on the assumption that proteins that function together in a pathway or structural complex are likely to evolve in a correlated fashion. During evolution, all such functionally linked proteins tend to be either preserved or eliminated in a new species. We describe this property of correlated evolution by characterizing each protein by its phylogenetic profile, a string that encodes the presence or absence of a protein in every known genome. We show that proteins having matching or similar profiles strongly tend to be functionally linked. This method of phylogenetic profiling allows us to predict the function of uncharacterized proteins.

The three-dimensional structure of the cofactors of the reaction center of Rhodobacter sphaeroides R-26 has been determined by x-ray diffraction and refined at a resolution of 2.8 A with an R value of 26%. The main features of the structure are similar to the ones determined for Rhodopseudomonas viridis [Michel, H., Epp, O. & Deisenhofer, J. (1986) EMBO J. 5, 2445-2451]. The cofactors are arranged along two branches, which are approximately related to each other by a 2-fold symmetry axis. The structure is well suited to produce light-induced charge separation across the membrane. Most of the structural features predicted from physical and biochemical measurements are confirmed by the x-ray structure.

The world’s crop productivity is stagnating whereas population growth, rising affluence, and mandates for biofuels put increasing demands on agriculture. Meanwhile, demand for increasing cropland competes with equally crucial global sustainability and environmental protection needs. Addressing this looming agricultural crisis will be one of our greatest scientific challenges in the coming decades, and success will require substantial improvements at many levels. We assert that increasing the efficiency and productivity of photosynthesis in crop plants will be essential if this grand challenge is to be met. Here, we explore an array of prospective redesigns of plant systems at various scales, all aimed at increasing crop yields through improved photosynthetic efficiency and performance. Prospects range from straightforward alterations, already supported by preliminary evidence of feasibility, to substantial redesigns that are currently only conceptual, but that may be enabled by new developments in synthetic biology. Although some proposed redesigns are certain to face obstacles that will require alternate routes, the efforts should lead to new discoveries and technical advances with important impacts on the global problem of crop productivity and bioenergy production.

Design and Build Self-assembling biomolecules are attractive building blocks in the development of functional materials. Sophisticated DNA-based materials have been developed; however, progress in designing protein-based materials has been slower. King et al. (p. 1171 ) describe a general computational method in which protein building blocks are first symmetrically docked onto a target architecture, and then binding interfaces that drive self-assembly of the building blocks are designed. As a proof of principle, trimeric building blocks were used to design self-assembling 12-subunit complexes with tetrahedral symmetry and 24-subunit complexes with octahedral symmetry. Lai et al. (p. 1129 ) were able to build a 12-subunit tetrahedral protein cage from fused oligomeric protein domains.

The three-dimensional structure of the protein subunits of the reaction center (RC) of Rhodobacter sphaeroides has been determined by x-ray diffraction at a resolution of 2.8 A with an R factor of 26%. The L and M subunits each contain five transmembrane helices and several helices that do not span the membrane. The L and M subunits are related to each other by a 2-fold rotational symmetry axis that is approximately the same as that determined for the cofactors. The H subunit has one transmembrane helix and a globular domain on the cytoplasmic side, which contains a helix that does not span the membrane and several beta-sheets. The structural homology with RCs from other purple bacteria is discussed. A structure of the complex formed between the water soluble cytochrome c2 and the RC from Rb. sphaeroides is proposed.

The self-assembly of proteins into highly ordered nanoscale architectures is a hallmark of biological systems. The sophisticated functions of these molecular machines have inspired the development of methods to engineer self-assembling protein nanostructures; however, the design of multi-component protein nanomaterials with high accuracy remains an outstanding challenge. Here we report a computational method for designing protein nanomaterials in which multiple copies of two distinct subunits co-assemble into a specific architecture. We use the method to design five 24-subunit cage-like protein nanomaterials in two distinct symmetric architectures and experimentally demonstrate that their structures are in close agreement with the computational design models. The accuracy of the method and the number and variety of two-component materials that it makes accessible suggest a route to the construction of functional protein nanomaterials tailored to specific applications. A computational method is reported that can be used to design protein nanomaterials in which two distinct subunits co-assemble into a specific architecture; five 24-subunit cage-like protein nanomaterials are designed, and experiments show that their structures are in close agreement with the computational design models. The goal of achieving protein self-assembly inspired by the remarkable feats achieved in biological systems is a tempting prospect for materials scientists. As a step in that direction David Baker and colleagues have developed a computational method that can be used to design protein nanomaterials in which two distinct subunits co-assemble into a specific architecture. They used the method to design five 24-subunit cage-like protein nanomaterials and experimentally demonstrate that the structures of the materials are in close agreement with the computational design models. The accuracy of the method and the universe of two-component materials that it makes accessible pave the way for the design of functional protein nanomaterials tailored to specific applications.

Designed to assemble Symmetric macromolecular structures that form cages, such as viral capsids, have inspired protein engineering. Bale et al. used pairwise combinations of dimeric, trimeric, or pentameric building blocks to design two-component, 120-subunit protein complexes with three distinct icosahedral architectures. The capsid-like nanostructures are large enough to hold nucleic acids or other proteins, and because they have two components, the assembly of cargoes such as drugs and vaccines can be done in a controlled way. Science , this issue p. 389