Abstract Tardigrades, also known as water bears, make up a phylum of small but extremely hardy animals, renowned for their ability to survive extreme stresses, including desiccation. How tardigrades survive desiccation is one of the enduring mysteries of animal physiology. Here we show that CAHS D, an intrinsically disordered protein belonging to a unique family of proteins possessed only by tardigrades, undergoes a liquid-to-gel phase transition in a concentration dependent manner. Unlike other gelling proteins, such as gelatin, our data support a mechanism in which gel formation of CAHS D is driven by intermolecular β-β interactions. We find that gel formation corresponds with strong coordination of water and slowing of water diffusion. The degree of water coordination correlates with the ability of CAHS D to protect lactate dehydrogenase from unfolding when dried. This implies that the mechanism for unfolding protection can be attributed to a combination of hydration and slowed molecular motion. Conversely, rapid diffusion leading to efficient molecular shielding appears to be the predominant mechanism preventing protein aggregation. Our study demonstrates that distinct mechanisms are required for holistic protection during desiccation, and that protectants, such as CAHS D, can act as molecular ‘Swiss Army Knives’ capable of providing protection through several different mechanisms simultaneously.

Abstract Intrinsically disordered proteins and protein regions (IDPs) are essential to cellular function in all proteomes. Unlike folded proteins, IDPs exist in an ensemble of rapidly interchanging conformations. IDP sequences encode interactions that create structural biases within the ensemble. Such structural biases determine the three-dimensional shape of IDP ensembles and can affect their activity. However, the plasticity and sensitivity of IDP ensembles means structural biases, often measured in vitro , may differ in the dynamic and heterogeneous intracellular environment. Here we reveal that structural biases found in vitro in well-studied IDPs persist inside human-derived cells. We further show that a subset of IDPs are able to sense changes in cellular physical-chemical composition and modulate their ensemble in response. We propose that IDP ensembles can evolve to sense and respond to intracellular physicochemical changes, or to resist them. This property can be leveraged for biological function, be the underlying cause of IDP-driven pathology, or be leveraged for the design of disorder-based biosensors and actuators.

SUMMARY Cell homeostasis is perturbed when dramatic shifts in the external environment cause the physical-chemical properties inside the cell to change. Methods that dynamically monitor these intracellular effects are currently lacking. Here, we leveraged the environmental sensitivity and structural plasticity of intrinsically disordered regions (IDRs) to develop a FRET biosensor capable of monitoring rapid intracellular changes caused by osmotic stress. The biosensor, named SED1, utilizes the Arabidopsis intrinsically disordered AtLEA4-5 protein expressed in plants under water deficit. Computational modeling and in vitro studies reveal that SED1 is highly sensitive to macromolecular crowding. SED1 exhibits large and near-linear osmolarity-dependent changes in FRET inside living bacteria, yeast, plant, and human cells, demonstrating the broad utility of this tool for studying water-associated stress. This study demonstrates the remarkable ability of IDRs to sense the cellular environment across the tree of life and provides a blueprint for their use in environmentally-responsive molecular tools.

Intrinsically disordered protein regions (IDRs) make up over 30% of the human proteome and instead of a native, well-folded structure exist in a dynamic conformational ensemble. Tethering IDRs to a surface (for example, the surface of a well-folded region of the same protein) can reduce the number of accessible conformations in IDR ensembles. This reduces the ensemble's conformational entropy, generating an effective entropic force that pulls away from the point of tethering. Recent experimental work has shown that this entropic force causes measurable, physiologically relevant changes to protein function, but how the magnitude of this force depends on the IDR sequence remains unexplored. Here we use all-atom simulations to analyze how structural preferences encoded in dozens of IDR ensembles contribute to the entropic force they exert upon tethering. We show that sequence-encoded structural preferences play an important role in determining the magnitude of this force and that compact, spherical ensembles generate an entropic force that can be several times higher than more extended ensembles. We further show that changes in the surrounding solution's chemistry can modulate IDR entropic force strength. We propose that the entropic force is a sequence-dependent, environmentally tunable property of terminal IDR sequences.

Abstract Intrinsically disordered proteins and protein-regions (IDRs) make up roughly 30% of the human proteome and play vital roles in a wide variety of biological processes. Given a lack of persistent tertiary structure, all of the residues in an IDR are, to some extent, solvent exposed. This extensive surface area, coupled with the absence of strong intramolecular contacts, makes IDRs inherently sensitive to their chemical environment. Despite this sensitivity, our understanding of how IDR structural ensembles are influenced by changes in their chemical environment is limited. This is particularly relevant given a growing body of evidence showing that IDR function is linked to the underlying structural ensemble. We develop and use a combined experimental, computational, and analytical framework for high-throughput characterization of IDR sensitivity we call solution space scanning. Our framework reveals that IDRs show sequence-dependent sensitivity to solution chemistry, with complex behavior that can be interpreted through relatively simple polymer models. Our results imply that solution-responsive IDRs are ubiquitous and can provide an additional layer of biological regulation.

Abstract In order to survive extreme drying (anhydrobiosis), many organisms, spanning every kingdom of life, accumulate intrinsically disordered proteins (IDPs). For decades, the ability of anhydrobiosis-related IDPs to form transient amphipathic helices has been suggested to be important for promoting desiccation tolerance. However, evidence empirically supporting the necessity and/or sufficiency of helicity in mediating anhydrobiosis is lacking. Here we demonstrate that the linker region of CAHS D, a desiccation-related IDP from tardigrades that contains significant helical structure, is the protective portion of this protein. Perturbing the sequence composition and grammar of the linker region of CAHS D, through the insertion of helix-breaking prolines, modulating the identity of charged residues, sequence scrambling, or replacement of hydrophobic amino acids with serine or glycine residues results in variants with different degrees of helical structure. Importantly, the resulting helicity of these variants generated through similar helix breaking modalities correlates strongly with their ability to promote desiccation tolerance, providing direct evidence that helical structure is necessary for robust protection conferred by this desiccation-related IDP. However, correlation of protective capacity and helical content in variants generated through different helix perturbing modalities do not show as strong a trend, suggesting that while helicity is important it is not the only property that makes a protein protective during desiccation. These results provide direct evidence for the decades old theory that helicity of desiccation-related IDPs is linked to their anhydrobiotic capacity.

Abstract Tardigrades are microscopic animals that survive desiccation by inducing biostasis. To survive drying tardigrades rely on intrinsically disordered CAHS proteins that form gels. However, the sequence features and mechanisms underlying gel formation and the necessity of gelation for protection have not been demonstrated. Here we report a mechanism of gelation for CAHS D similar to that of intermediate filaments. We show that gelation restricts molecular motion, immobilizing and protecting labile material from the harmful effects of drying. In vivo , we observe that CAHS D forms fiber-like condensates during osmotic stress. Condensation of CAHS D improves survival of osmotically shocked cells through at least two mechanisms: reduction of cell volume change and reduction of metabolic activity. Importantly, condensation of CAHS D is reversible and metabolic rates return to control levels after CAHS condensates are resolved. This work provides insights into how tardigrades induce biostasis through the self-assembly of CAHS gels.

Organisms from all kingdoms of life depend on Late Embryogenesis Abundant (LEA) proteins to survive desiccation. LEA proteins are divided into broad families distinguished by the presence of family-specific motif sequences. The LEA_4 family, characterized by eleven-residue motifs, plays a crucial role in the desiccation tolerance of numerous species. However, the role of these motifs in the function of LEA_4 proteins is unclear, with some studies finding that they recapitulate the function of full-length LEA_4 proteins in vivo, and other studies finding the opposite result. In this study, we characterize the ability of LEA_4 motifs to protect a desiccation-sensitive enzyme, citrate synthase, from loss of function during desiccation. We show here that LEA_4 motifs not only prevent the loss of function of citrate synthase during desiccation, but also that they can do so more robustly via synergistically interactions with cosolutes. Our analysis further suggests that cosolutes induce synergy with LEA_4 motifs in a manner that correlates with transfer free energy (TFE). This research advances our understanding of LEA_4 proteins by demonstrating that during desiccation their motifs can protect specific clients to varying degrees and that their protective capacity is modulated by their chemical environment. Our findings extend beyond the realm of desiccation tolerance, offering insights into the interplay between IDPs and cosolutes. By investigating the function of LEA_4 motifs, we highlight broader strategies for understanding protein stability and function.