A re-parameterization of the standard TIP4P water model for use with Ewald techniques is introduced, providing an overall global improvement in water properties relative to several popular nonpolarizable and polarizable water potentials. Using high precision simulations, and careful application of standard analytical corrections, we show that the new TIP4P-Ew potential has a density maximum at ∼1 °C, and reproduces experimental bulk-densities and the enthalpy of vaporization, ΔHvap, from −37.5 to 127 °C at 1 atm with an absolute average error of less than 1%. Structural properties are in very good agreement with x-ray scattering intensities at temperatures between 0 and 77 °C and dynamical properties such as self-diffusion coefficient are in excellent agreement with experiment. The parameterization approach used can be easily generalized to rehabilitate any water force field using available experimental data over a range of thermodynamic points.

We present an efficient pipeline enabling high-throughput analysis of protein structure in solution with small angle X-ray scattering (SAXS). Our SAXS pipeline combines automated sample handling of microliter volumes, temperature and anaerobic control, rapid data collection and data analysis, and couples structural analysis with automated archiving. We subjected 50 representative proteins, mostly from Pyrococcus furiosus, to this pipeline and found that 30 were multimeric structures in solution. SAXS analysis allowed us to distinguish aggregated and unfolded proteins, define global structural parameters and oligomeric states for most samples, identify shapes and similar structures for 25 unknown structures, and determine envelopes for 41 proteins. We believe that high-throughput SAXS is an enabling technology that may change the way that structural genomics research is done.

Flexibility between domains of proteins is often critical for function. These motions and proteins with large scale flexibility in general are often not readily amenable to conventional structural analysis such as X-ray crystallography, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) or electron microscopy. A common evolution of a crystallography project, once a high resolution structure has been determined, is to postulate possible sights of flexibility. Here we describe an analysis tool using relatively inexpensive small angle X-ray scattering (SAXS) measurements to identify flexibility and validate a constructed minimal ensemble of models, which represent highly populated conformations in solution. The resolution of these results is sufficient to address the questions being asked: what kinds of conformations do the domains sample in solution? In our rigid body modeling strategy BILBOMD, molecular dynamics (MD) simulations are used to explore conformational space. A common strategy is to perform the MD simulation on the domains connections at very high temperature, where the additional kinetic energy prevents the molecule from becoming trapped in a local minimum. The MD simulations provide an ensemble of molecular models from which a SAXS curve is calculated and compared to the experimental curve. A genetic algorithm is used to identify the minimal ensemble (minimal ensemble search, MES) required to best fit the experimental data. We demonstrate the use of MES in several model and in four experimental examples.

We present an analysis of the Advanced Light Source (ALS) x-ray scattering experiment on pure liquid water at ambient temperature and pressure described in the preceding article. The present study discusses the extraction of radial distribution functions from the x-ray scattering of molecular fluids. It is proposed that the atomic scattering factors used to model water be modified to include the changes in the intramolecular electron distribution caused by chemical bonding effects. Based on this analysis we present a gOO(r) for water consistent with our recent experimental data gathered at the ALS, which differs in some aspects from the gOO(r) reported by other x-ray and neutron scattering experiments. Our gOO(r) exhibits a taller and sharper first peak, and systematic shifts in all peak positions to smaller r. Based on experimental uncertainties, we discuss what features of gOO(r) should be reproduced by classical simulations of nonpolarizable and polarizable water models, as well as ab initio simulations of water, at ambient conditions. We directly compare many water models and simulations to the present data, and discuss possible improvements in both classical and ab initio simulation approaches in the future.

The signaling adaptor TRAF6 is a ubiquitin E3 ligase whose activity can lead to activation of NF-κB and MAPK pathways. New data based on the structure of TRAF6 in complex with the ubiquitin E2 Ubc13 suggest that other TRAFs do not interact with Ubc13 and that oligomerization of TRAF6 is needed for downstream signal transduction. Tumor necrosis factor (TNF) receptor–associated factor (TRAF)-6 mediates Lys63-linked polyubiquitination for NF-κB activation via its N-terminal RING and zinc finger domains. Here we report the crystal structures of TRAF6 and its complex with the ubiquitin-conjugating enzyme (E2) Ubc13. The RING and zinc fingers of TRAF6 assume a rigid, elongated structure. Interaction of TRAF6 with Ubc13 involves direct contacts of the RING and the preceding residues, and the first zinc finger has a structural role. Unexpectedly, this region of TRAF6 is dimeric both in the crystal and in solution, different from the trimeric C-terminal TRAF domain. Structure-based mutagenesis reveals that TRAF6 dimerization is crucial for polyubiquitin synthesis and autoubiquitination. Fluorescence resonance energy transfer analysis shows that TRAF6 dimerization induces higher-order oligomerization of full-length TRAF6. The mismatch of dimeric and trimeric symmetry may provide a mode of infinite oligomerization that facilitates ligand-dependent signal transduction of many immune receptors.

Structure determination of gold nanoparticles (AuNPs) is necessary for understanding their physical and chemical properties, but only one AuNP larger than 1 nanometer in diameter [a 102-gold atom NP (Au102NP)] has been solved to atomic resolution. Whereas the Au102NP structure was determined by x-ray crystallography, other large AuNPs have proved refractory to this approach. Here, we report the structure determination of a Au68NP at atomic resolution by aberration-corrected transmission electron microscopy, performed with the use of a minimal electron dose, an approach that should prove applicable to metal NPs in general. The structure of the Au68NP was supported by small-angle x-ray scattering and by comparison of observed infrared absorption spectra with calculations by density functional theory.

In 2012, preliminary guidelines were published addressing sample quality, data acquisition and reduction, presentation of scattering data and validation, and modelling for biomolecular small-angle scattering (SAS) experiments. Biomolecular SAS has since continued to grow and authors have increasingly adopted the preliminary guidelines. In parallel, integrative/hybrid determination of biomolecular structures is a rapidly growing field that is expanding the scope of structural biology. For SAS to contribute maximally to this field, it is essential to ensure open access to the information required for evaluation of the quality of SAS samples and data, as well as the validity of SAS-based structural models. To this end, the preliminary guidelines for data presentation in a publication are reviewed and updated, and the deposition of data and associated models in a public archive is recommended. These guidelines and recommendations have been prepared in consultation with the members of the International Union of Crystallography (IUCr) Small-Angle Scattering and Journals Commissions, the Worldwide Protein Data Bank (wwPDB) Small-Angle Scattering Validation Task Force and additional experts in the field.

The SIBYLS beamline (12.3.1) of the Advanced Light Source at Lawrence Berkeley National Laboratory, supported by the US Department of Energy and the National Institutes of Health, is optimized for both small-angle X-ray scattering (SAXS) and macromolecular crystallography (MX), making it unique among the world's mostly SAXS or MX dedicated beamlines. Since SIBYLS was commissioned, assessments of the limitations and advantages of a combined SAXS and MX beamline have suggested new strategies for integration and optimal data collection methods and have led to additional hardware and software enhancements. Features described include a dual mode monochromator [containing both Si(111) crystals and Mo/B(4)C multilayer elements], rapid beamline optics conversion between SAXS and MX modes, active beam stabilization, sample-loading robotics, and mail-in and remote data collection. These features allow users to gain valuable insights from both dynamic solution scattering and high-resolution atomic diffraction experiments performed at a single synchrotron beamline. Key practical issues considered for data collection and analysis include radiation damage, structural ensembles, alternative conformers and flexibility. SIBYLS develops and applies efficient combined MX and SAXS methods that deliver high-impact results by providing robust cost-effective routes to connect structures to biology and by performing experiments that aid beamline designs for next generation light sources.