SARS-CoV-2 infection is controlled by the opening of the spike protein receptor binding domain (RBD), which transitions from a glycan-shielded "down" to an exposed "up" state in order to bind the human ACE2 receptor and infect cells. While snapshots of the "up" and "down" states have been obtained by cryoEM and cryoET, details of the RBD opening transition evade experimental characterization. Here, over 130 μs of weighted ensemble (WE) simulations of the fully glycosylated spike ectodomain allow us to characterize more than 300 continuous, kinetically unbiased RBD opening pathways. Together with ManifoldEM analysis of cryo-EM data and biolayer interferometry experiments, we reveal a gating role for the N-glycan at position N343, which facilitates RBD opening. Residues D405, R408, and D427 also participate. The atomic-level characterization of the glycosylated spike activation mechanism provided herein achieves a new high-water mark for ensemble pathway simulations and offers a foundation for understanding the fundamental mechanisms of SARS-CoV-2 viral entry and infection.

This work is based on the manifold-embedding approach to study biological molecules exhibiting continuous conformational changes. Previous work established a method capable of reconstructing 3D movies and accompanying energetics of atomic-level structures from single-particle cryo-EM images of macromolecules displaying multiple conformational degrees of freedom. Here, we introduce an unsupervised geometric machine learning approach that is informed by detailed heuristic analysis of manifolds formed by simulated heterogeneous cryo-EM datasets generated from an atomic structure. These simulated data were generated with increasing complexity to account for multiple conformational motions, state occupancies and typical microscope parameters in a wide range of signal-to-noise ratios. Using these datasets as ground-truth, we provide detailed exposition of our findings using several conformational motions while exploring the available parameter space. Guided by these insights, we build a framework to leverage the high-dimensional geometric information obtained towards reconstituting a quasi-continuum of conformational states in the form of a free-energy landscape and respective 3D density maps for all states therein. As shown by a direct comparison of results, this framework offers substantial improvements relative to the previous work.

The rapid kinetics of biological processes and associated short-lived conformational changes pose a significant challenge in attempts to structurally visualize biomolecules during a reaction in real time. Conventionally, on-pathway intermediates have been trapped using chemical modifications or reduced temperature, giving limited insights. Here we introduce a novel time-resolved cryo-EM method using a reusable PDMS-based microfluidic chip assembly with high reactant mixing efficiency. Coating of PDMS walls with SiO2 virtually eliminates non-specific sample adsorption and ensures maintenance of the stoichiometry of the reaction, rendering it highly reproducible. In an operating range from 10 to 1000 ms, the device allows us to follow in vitro reactions of biological molecules at resolution levels in the range of 3 Å. By employing this method, we show for the first time the mechanism of progressive HlfX-mediated splitting of the 70S E. coli ribosome in the presence of the GTP, via capture of three high-resolution reaction intermediates within 140 ms.

SARS-CoV-2 infection is controlled by the opening of the spike protein receptor binding domain (RBD), which transitions from a glycan-shielded 'down' to an exposed 'up' state to bind the human angiotensin-converting enzyme 2 receptor and infect cells. Analysis of the RBD-opening transition pathways from independent weighted ensemble simulations indicates a clear gating role for the glycan at N343, which lifts and stabilizes the RBD throughout the opening transition. The work indicates a critical gating role of the N343 glycan in spike opening and provides new insights into mechanisms of viral infection for this important pathogen. The ManifoldEM method allows characterization of conformational variations as obtained from a single-particle cryogenic electron microscopy ensemble of a molecule in thermal equilibrium. Mutation of K986 to proline has been used to stabilize the prefusion spike, including in vaccine development, and these simulations provide molecular context to an additional role of this residue in RBD opening.