The ability to transmit signals with high information spectral density (ISD) using low-complexity and cost-effective transceivers is essential for short- and medium-haul optical communication systems. Consequently, spectrally efficient direct detection transceiver-based solutions are attractive for such applications. In this paper, we experimentally demonstrate the wavelength-division multiplexed (WDM) transmission of 7×12 GHz-spaced dispersion pre-compensated Nyquist pulse-shaped 16-QAM subcarrier modulated channels operating at a net bit rate of 24 Gb/s per channel, and achieving a net optical ISD of 2.0 b/s/Hz. The direct detection receiver used in our experiment consisted of a single-ended photodiode and a single analog-to-digital converter. The carrier-to-signal power ratio at different values of optical signal-to-noise ratio was optimized to maximize the receiver sensitivity performance. The transmission experiments were carried out using a recirculating fiber loop with uncompensated standard single-mode fiber and EDFA-only amplification. The maximum achieved transmission distances for single channel and WDM signals were 727 and 323 km below the bit-error ratio of 3.8 × 10 -3 , respectively. To the best of our knowledge, this is the highest achieved ISD for WDM transmission in direct detection links over such distances.

ABSTRACT In all of the clinical trials for COVID-19 conducted thus far and among those ongoing involving chloroquine or hydroxychloroquine, the drug substance used has invariably been chloroquine (CQ) diphosphate or hydroxychloroquine (HCQ) sulfate, i.e., the phosphoric or sulfuric acid salt of a racemic mixture of R - and S -enantiomer (50/50), respectively. As a result, the clinical outcome from previous CQ or HCQ trials were, in fact, the collective manifestation of both R and S- enantiomers with inherent different pharmacodynamic and pharmacokinetic properties, and toxicity liabilities. Our data for the first time demonstrated the stereoselective difference of CQ and HCQ against live SARS-CoV-2 virus in a Biosafety Level 3 laboratory. S -chloroquine ( S -CQ) and S -hydroxychloroquine ( S -HCQ) significantly more active against SARS-CoV-2, as compared to R -CQ and R -HCQ, respectively. In addition, M pro , as one of the critical enzymes for viral transcription and replication, also exhibited an enantioselective binding affinity toward the S -enantiomers. The most significant finding from this study is the pronounced difference of the two enantiomers of CQ and HCQ observed in hERG inhibition assay. The IC 50 value of S -HCQ was higher than 20 μM against hERG channel, which was much less active over all tested CQ and HCQ compounds. Moreover, S -HCQ alone did not prolong QT interval in guinea pigs after 3 days and 6 days of administration, indicating a much lower cardiac toxicity potential. With these and previous findings on the enantio-differentiated metabolism, we recommend that future clinical studies should employ S -HCQ, substantially free of the R -enantiomer, to potentially improve the therapeutic index for the treatment of COVID-19 over the racemic CQ and HCQ.

Abstract The multisubunit protein assemblies that play critical roles in biology are the result of evolutionary selection for function of the entire assembly, and hence the subunits in structures such as icosahedral viral capsids often fit together with remarkable shape complementarity 1,2 . In contrast, the large multisubunit assemblies that have been created by de novo protein design, notably the icosahedral nanocages used in a new generation of potent vaccines 3–7 , have been built by first designing symmetric oligomers with cyclic symmetry and then assembling these into nanocages while keeping the internal structure fixed 8–14 , which results in more porous structures with less extensive shape matching between the components. Such hierarchical “bottom-up” design approaches have the advantage that one interface can be designed and validated in the context of the cyclic oligomer building block 15,16 , but the disadvantage that the structural and functional features of the assemblies are limited by the properties of the predesigned building blocks. To overcome this limitation, we set out to develop a “top-down” reinforcement learning based approach to protein nanomaterial design in which both the structures of the subunits and the interactions between them are built up coordinately in the context of the entire assembly. We developed a Monte Carlo tree search (MCTS) method 17,18 which assembles protein monomer structures in the context of an overall architecture guided by a loss function which enables specification of any desired overall structural properties such as shape and porosity. We demonstrate the power of the approach by designing hyperstable icosahedral assemblies more compact than any previously observed protein icosahedral structure (designed or naturally occurring), that have very low porosity and are robust to fusion and display of proteins as complex as influenza hemagglutinin. CryoEM structures of two designs are very close to the computational design models. Our top-down reinforcement learning approach should enable the design of a wide variety of complex protein nanomaterials by direct optimization of overall system properties.

Abstract DNA methylation plays a crucial role in various biological processes, including cell differentiation, ageing, and cancer development. The most important methylation in mammals is 5-methylcytosine (5mC) which is present in the context of CpG dinucleotides. Sequencing methods such as whole-genome bisulfite sequencing (WGBS) successfully detect 5mC DNA modifications. However, they suffer from the serious drawbacks of short read lengths and might introduce an amplification bias. Here we present Rockfish, a deep learning algorithm that significantly improves read-level 5mC detection by using Nanopore sequencing. Compared to other methods based on Nanopore sequencing, there is an increase in the single-base accuracy and the F1 measure of up to 5% and 12%, respectively. Furthermore, Rockfish shows a high correlation with WGBS and requires lower read depth while being computationally efficient. We deem that Rockfish is broadly applicable to study 5mC methylation in diverse organisms and disease systems to yield biological insights.

While there has been progress in the de novo design of small globular miniproteins (50-65 residues) to bind to primarily concave regions of a target protein surface, computational design of minibinders to convex binding sites remains an outstanding challenge due to low level of overall shape complementarity. Here, we describe a general approach to generate computationally designed proteins which bind to convex target sites that employ geometrically matching concave scaffolds. We used this approach to design proteins binding to TGFβRII, CTLA-4 and PD-L1 which following experimental optimization have low nanomolar to picomolar affinities and potent biological activity. Co-crystal structures of the TGFβRII and CTLA-4 binders in complex with the receptors are in close agreement with the design models. Our approach provides a general route to generating very high affinity binders to convex protein target sites.

Abstract Memory B cells (MBCs) formed over the individual’s lifetime constitute nearly half of the adult peripheral blood B cell repertoire in humans. To assess their response to novel antigens, we tracked the origin and followed the differentiation paths of MBCs in the early anti-S response to mRNA vaccination in SARS-CoV-2-naïve individuals on single-cell and monoclonal antibody level. Newly generated and pre-existing MBCs differed in their differentiation paths despite similar levels of SARS-CoV-2 and common corona virus S-reactivity. Pre-existing highly mutated MBCs showed no signs of germinal center re-entry and rapidly developed into mature antibody secreting cells (ASCs). In contrast, newly generated MBCs derived from naïve precursors showed strong signs of antibody affinity maturation before differentiating into ASCs. Thus, although pre-existing human MBCs have an intrinsic propensity to differentiate into ASCs, the quality of the anti-S antibody and MBC response improved through the clonal selection and affinity maturation of naïve precursors. Highlights mRNA vaccination of SARS-CoV-2 naïve individuals recruits naïve and pre-existing MBCs with similar levels of S-reactivity into the response S-reactive naïve but not pre-existing MBCs undergo affinity maturation S-reactive pre-existing MBCs dominate the early ASC response independent of their antigen affinity High-affinity S-reactive MBCs and ASCs develop over time and originate from affinity matured naïve precursors

The accumulation of unrepaired oxidatively damaged DNA can influence both the rate of ageing and life expectancy of an organism. Mapping oxidative DNA damage sites at whole-genome scale will help us to recognize the damage-prone sequence and genomic feature information, which is fundamental for ageing research. Here, we developed an algorithm to map the whole-genome oxidative DNA damage at single-base resolution using Single-Molecule Real-Time (SMRT) sequencing technology. We sequenced the genomic oxidative DNA damage landscape of C. elegans at different age periods to decipher the potential impact of genomic DNA oxidation on physiological ageing. We observed an age-specific pattern of oxidative modification in terms of motifs, chromosomal distribution, and genomic features. Integrating with RNA-Seq data, we demonstrated that oxidative modification in promoter regions was negatively associated with the expression of pro-longevity genes, denoting that oxidative modification in pro-longevity genes may exert epigenetic potential and thus affect lifespan determination. Together, our study opens up a new field for exploration of oxigenetics, that focuses on the mechanisms of redox-mediated ageing.

Abstract Redox metabolism plays essential functions in the pathology of cancer. As tumor redox profiles uniquely reflect cancer stage and in select cases, therapeutic sensitivity, the capability to image redox molecular features is essential to improve diagnosis, treatment, and overall quality-of-life (QOL) of cancer patients. While a number of radiotracers for imaging redox metabolism have been developed, there are no reports of radiotracers for in vivo imaging of protein oxidation. Here we take the first step towards this goal and describe the synthesis and kinetic properties of a new positron emission tomography (PET) [ 18 F]DCP radiotracer for in vivo imaging of protein sulfenylation. Time course biodistribution and PET/CT studies using xenograft animal models of Head and Neck Squamous Cell Cancer (HNSCC) demonstrate feasibility of diagnosing radiation resistant tumors, which display lower [ 18 F]DCP signal. These findings are consistent with our previous reports of decreased protein sulfenylation in clinical specimens of radiation resistant HNSCC. We anticipate further development and implementation of this concept in clinical practice to improve the diagnosis of patients with radiation resistant tumors and the accuracy of prognosis for patients undergoing radiation treatment. Single Sentence Summary The study introduces a new PET radiotracer for profiling tumor protein oxidation as a prognostic indicator of resistance to radiation therapy.

Abstract Significance Tumor heterogeneity poses a challenge for the chemotherapeutic treatment of cancer. Tissue dynamics spectroscopy (TDS) captures dynamic contrast and can capture the response of living tissue to applied therapeutics, but the current analysis averages over the complicated spatial response of living biopsy samples. Aim To develop tissue dynamics spectroscopic imaging (TDSI) to map the heterogeneous spatial response of tumor tissue to anticancer drugs. Approach TDSI is applied to tumor spheroids grown from cell lines and to ex vivo living esophageal biopsy samples. Doppler fluctuation spectroscopy is performed on a voxel basis to extract spatial maps of biodynamic biomarkers. Functional images and bivariate spatial maps are produced using a bivariate color merge to represent the spatial distribution of pairs of signed drug-response biodynamic biomarkers. Results We have mapped the spatial variability of drug responses within biopsies and have tracked sample-to-sample variability. Sample heterogeneity observed in the biodynamic maps is associated with histological heterogeneity observed using inverted Selective-Plane Illumination Microscopy (iSPIM). Conclusion We have demonstrated the utility of TDSI as a functional imaging method to measure tumor heterogeneity and its potential for use in drug-response profiling.

Abstracts Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) is a critical metabolite and coenzyme for multiple metabolic pathways and cellular processes ( 1-4 ). In this study, we identified Singheart, SGHRT as a nuclear genome-encoded NAD+-binding mitochondrial micropeptide. SGHRT, present in both monomeric and dimeric forms, binds directly to NAD, but not NADH or flavin adenine dinucleotide (FAD). Localized to the inner mitochondrial membrane and mitochondrial matrix, SGHRT interacts with the mitochondrial enzymes Succinate-CoA Ligase and Succinate Dehydrogenase. SGHRT deletion in human embryonic stem cell derived cardiomyocytes disrupted mitochondria morphology, decreased total NAD and ATP abundance, and resulted in defective TCA cycle metabolism, the electron transport chain and in Ox-Phos processes. These results comprise the first report of an NAD + -binding micropeptide, SGHRT, required for mitochondrial function and metabolism.