ABSTRACT The balance between the mitochondrial respiratory chain activity and the cell’s needs in ATP ensures optimal cellular function. Cytochrome c is an essential component of the electron transport chain (ETC), which regulates ETC activity, oxygen consumption, ATP synthesis and can initiate apoptosis. The impact of conformational changes in cytochrome c on its function is not understood for lack of access to these changes in intact mitochondria. We have developed a novel sensor that uses unique properties of label-free surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to identify conformational changes in heme of cytochrome c and to elucidate their role in functioning mitochondria. We verify that molecule bond vibrations assessed by SERS is a reliable indicator of the heme conformation during changes in the inner mitochondrial membrane potential and ETC activity. We have found that cytochrome c heme reversibly switches between planar and ruffled conformations in response to the inner mitochondrial membrane potential and H + concentration in the intermembrane space to regulate the efficiency of the mitochondrial respiratory chain, thus, adjusting the mitochondrial respiration to the cell’s consumption of ATP and the overall activity. The ability of the proposed SERS-based sensor to track mitochondrial function opens wide perspectives on cell bioenergetics. For Table of Contents Only

Abstract The poet W.B Yeats wrote that “All that is personal soon rots, it must be packed in ice or salt” . Here we show that in Caenorhabditis elegans nematodes, simple animals with just 302 neurons, memories are preserved on ice and in lithium salt. C. elegans nematodes can form associative memories, which are typically forgotten quickly. We discovered that when placed on ice, worms delay forgetting of specific olfactory memories by at least 8-fold. Delayed forgetting was canceled completely when the worms were gradually adapted to low temperatures, owing to a genetically-encoded program that turns acclimated worms cold-tolerant. RNA-seq, mutant analyses, and pharmacological assays revealed that regulation of membrane properties switches cold-induced delayed forgetting ON and OFF, and, remarkably, that lithium delays forgetting only in cold-sensitive but not cold-tolerant worms. We found that downregulation of the diacylglycerol pathway in the AWC sensory neurons is essential for lithium-mediated delayed forgetting, and using neuronal activity recordings located the memory trace to the downstream AIY interneurons. We suggest that the awesome genetic tractability of C. elegans might be harnessed to study the effects of lithium and cold temperatures on the brain, why it influences psychiatric disorders, and even more fundamentally how memory is stored and lost.