Developments in direct electron detector technology have played a pivotal role in enabling high-resolution structural studies by cryo-EM at 200 and 300 keV. Yet, theory and recent experiments indicate advantages to imaging at 100 keV, energies for which the current detectors have not been optimized. In this study, we evaluated the Gatan Alpine detector, designed for operation at 100 and 200 keV. Compared to the Gatan K3, Alpine demonstrated a significant DQE improvement at these energies, specifically a ∼ 4-fold improvement at Nyquist at 100 keV. In single-particle cryo-EM experiments, Alpine datasets yielded better than 2 Å resolution reconstructions of apoferritin at 120 and 200 keV on a ThermoFisher Scientific (TFS) Glacios microscope fitted with a non-standard SP-Twin lens. We also achieved a ∼ 3.2 Å resolution reconstruction of a 115 kDa asymmetric protein complex, proving Alpine's effectiveness with complex biological samples. In-depth analysis revealed that Alpine reconstructions are comparable to K3 reconstructions at 200 keV, and remarkably, reconstruction from Alpine at 120 keV on a TFS Glacios surpassed all but the 300 keV data from a TFS Titan Krios with GIF/K3. Additionally, we show Alpine's capability for high-resolution data acquisition and screening on lower-end systems by obtaining ∼ 3 Å resolution reconstructions of apoferritin and aldolase at 100 keV and detailed 2D averages of a 55 kDa sample using a side-entry cryo holder. Overall, we show that Gatan Alpine performs well with the standard 200 keV imaging systems and may potentially capture the benefits of lower accelerating voltages, bringing smaller sized particles within the scope of cryo-EM.

Abstract Buffer composition and sample preparation guidelines for cryo-electron microscopy are geared toward maximizing imaging contrast and reducing electron beam-induced motion. These pursuits often involve the minimization or complete removal of additives that are commonly used to facilitate proper protein folding and minimize aggregation. Among these admonished additives is glycerol, a widely used osmolyte that aids protein stability. In this work, we show that inclusion of glycerol does not preclude high-resolution structure determination by cryoEM, as demonstrated by a ∼2.3 Å reconstruction of mouse apoferritin (∼500 kDa) and a ∼3.3 Å reconstruction of rabbit muscle aldolase (∼160 kDa) in presence of 20% v/v glycerol. While we found that generating thin ice that is amenable for high-resolution imaging requires long blot times, the addition of glycerol did not result in increased beam-induced motion nor an inability to pick particles. Overall, our findings indicate glycerol should not be discounted as a cryoEM sample buffer additive, particularly for large, fragile complexes that are prone to disassembly or aggregation upon its removal.

Transthyretin (TTR) is a natively tetrameric thyroxine transporter found in blood and cerebrospinal fluid whose misfolding and aggregation causes transthyretin amyloidosis. A rational drug design campaign identified the small molecule tafamidis (Vyndaqel/Vyndamax) as an effective stabilizer of the native TTR fold, and this aggregation inhibitor is regulatory agency-approved for the treatment of TTR amyloidosis. Despite 50 years of structural studies on TTR and this triumph of structure-based drug design, there remains a notable dearth of structural information available to understand ligand binding allostery and amyloidogenic TTR unfolding intermediates. We used single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) to investigate the conformational landscape of this 55 kiloDalton tetramer in the absence and presence of one or two ligands, revealing inherent asymmetries in the tetrameric architecture and previously unobserved conformational states. These findings provide critical mechanistic insights into negatively cooperative ligand binding and the structural pathways responsible for TTR amyloidogenesis. This study underscores the capacity of cryo-EM to provide new insights into protein structures that have been historically considered too small to visualize and to identify pharmacological targets suppressed by the confines of the crystal lattice, opening uncharted territory in structure-based drug design.

Small heat shock proteins (sHPSs) are nature's first responders to cellular stress, interacting with affected proteins to prevent their aggregation. Little is known about sHSP structure beyond its structured α-crystallin domain (ACD), which is flanked by disordered regions. In the human sHSP HSPB1, the disordered N-terminal region (NTR) represents nearly 50% of the sequence. Here, we present a hybrid approach involving NMR, hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry, and modeling to provide the first residue-level characterization of the NTR. The results support a model in which multiple grooves on the ACD interact with specific NTR regions, creating an ensemble of quasi-ordered NTR states that can give rise to the known heterogeneity and plasticity of HSPB1. Phosphorylation-dependent interactions inform a mechanism by which HSPB1 is activated under stress conditions. Additionally, we examine the effects of disease-associated NTR mutations on HSPB1 structure and dynamics, leveraging our emerging structural insights.

ABSTRACT Developments in direct electron detector technology have played a pivotal role in enabling high-resolution structural studies by cryo-EM at 200 and 300 keV. Yet, theory and recent experiments indicate advantages to imaging at 100 keV, energies for which the current detectors have not been optimized. In this study, we evaluated the Gatan Alpine detector, designed for operation at 100 and 200 keV. Compared to the Gatan K3, Alpine demonstrated a significant DQE improvement at these voltages, specifically a ~4-fold improvement at Nyquist at 100 keV. In single-particle cryo-EM experiments, Alpine datasets yielded better than 2 Å resolution reconstructions of apoferritin at 120 and 200 keV on a ThermoFisher Scientific (TFS) Glacios microscope. We also achieved a ~3.2 Å resolution reconstruction for a 115 kDa asymmetric protein complex, proving its effectiveness with complex biological samples. In-depth analysis revealed that Alpine reconstructions are comparable to K3 reconstructions at 200 keV, and remarkably, reconstruction from Alpine at 120 keV on a TFS Glacios surpassed all but the 300 keV data from a TFS Titan Krios with GIF/K3. Additionally, we show Alpine’s capability for high-resolution data acquisition and screening on lower-end systems by obtaining ~3 Å resolution reconstructions of apoferritin and aldolase at 100 keV and detailed 2D averages of a 55 kDa sample using a side-entry cryo holder. Overall, we show that Gatan Alpine performs well with the standard 200 keV imaging systems and may potentially capture the benefits of lower accelerating voltages, possibly bringing smaller sized particles within the scope of cryo-EM.

To create new enzymes and biosensors from scratch, precise control over the structure of small molecule binding sites is of paramount importance, but systematically designing arbitrary protein pocket shapes and sizes remains an outstanding challenge. Using the NTF2-like structural superfamily as a model system, we developed a generative algorithm for creating a virtually unlimited number of de novo proteins supporting diverse pocket structures. The generative algorithm was tested and refined through feedback from two rounds of large scale experimental testing, involving in total, the assembly of synthetic genes encoding 7896 generated designs and assessment of their stability on the yeast cell surface, detailed biophysical characterization of 64 designs, and crystal structures of 5 designs. The refined algorithm generates proteins that remain folded at high temperatures and exhibit more pocket diversity than naturally occurring NTF2-like proteins. We expect this approach to transform the design of small molecule sensors and enzymes by enabling the creation of binding and active site geometries much more optimal for specific design challenges than is accessible by repurposing the limited number of naturally occurring NTF2-like proteins.