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.

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.

Abstract While novel deep learning and statistics-based techniques predict accurate structural models for proteins and non-coding RNA, describing their macromolecular conformations in solution is still challenging. Small-angle X-ray scattering (SAXS) in solution is an efficient technique to validate structural predictions by comparing the experimental SAXS profile with those calculated from predicted structures. There are two main challenges in comparing SAXS profiles to RNA structures: the structures often lack cations necessary for stability and charge neutralization, and a single structure inadequately represents the conformational plasticity of RNA. We introduce Solution Conformation Predictor for RNA (SCOPER) to address these challenges. This pipeline integrates kinematics-based conformational sampling with the innovative deep-learning model, IonNet, designed for predicting Mg 2+ ion binding sites. Validated through benchmarking against fourteen experimental datasets, SCOPER significantly improved the quality of SAXS profile fits by including Mg 2+ ions and sampling of conformational plasticity. We observe that an increased content of monovalent and bivalent ions leads to decreased RNA plasticity. Therefore, carefully adjusting the plasticity and ion density is crucial to avoid overfitting experimental SAXS data. SCOPER is an efficient tool for accurately predicting the solution state of RNAs and providing atomistic models of their structures. The method is available from: https://github.com/dina-lab3d/IonNet Our pipeline is available for use as a web server: https://bilbomd.bl1231.als.lbl.gov/

The malarial pathogen Plasmodium falciparum (Pf) is a member of the Apicomplexa, which independently evolved a highly specific lactate dehydrogenase (LDH) from an ancestral malate dehydrogenase (MDH) via a five-residue insertion in a key active site loop. PfLDH is widely considered an attractive drug target due to its unique active site. Apicomplexan loop conservation suggests that a particular insertion sequence was required to evolve LDH specificity, and we previously showed (Boucher 2014) that a tryptophan in the insertion, W107f, is essential for activity and specificity. However, the roles of other residues in the loop are currently unknown. Here we show that PfLDH activity is remarkably resilient to radical perturbations of both loop identity and length. Thus, alternative insertions could have evolved LDH specificity as long as they contained a tryptophan in the proper location. PfLDH therefore has high potential to develop resistance to drugs that target its distinctive active site.

Abstract The homologous enzymes lactate and malate dehydrogenase (L/MDH) are structurally similar but are specific for different substrates. LDH vs MDH specificity is canonically governed by the identity of a single “specificity residue” at position 102. However, LDH function has convergently evolved from a specific MDH at least four times, and the catalytic role of residue 102 is not conserved between different phyla. The apicomplexa are a phylum of obligate, intracellular eukaryotic parasites responsible for wide-spread disease such as Plasmodium falciparum (malaria), Cryptosporidium parvum (cryptosporidiosis), Toxoplasma gondii (toxoplasmosis), and Eimeria maxima (eimeriosis). The apicomplexan LDH evolved via a five-residue insertion that produced a novel specificity residue, W107f. The commonly accepted mechanism of LDH specificity involves charge balance and steric occlusion, but our data shows that the general mechanism of apicomplexan LDHs does not use W107f as a steric block. Only Plasmodium LDHs evolved substantial steric specificity, making them exceptional among Apicomplexa. Strong protein epistasis constrained this evolution, making it difficult to revert to ancestral phenotypes. Here, we use ancestral sequence reconstruction (ASR), steady-state kinetics, and x-ray crystallography to characterize apicomplexan LDHs which challenge current assumptions about the evolution of L/MDH activity. We demonstrate the unique specificity of Plasmodium LDHs and identify the active site residues controlling their substrate recognition. The extraordinarily high specificity of Plasmodium LDHs presents difficulties for small-molecule inhibitor development, and successful drugs against Plasmodium LDH may not be efficacious against other Apicomplexa LDHs and their diseases.