Abstract Gram-negative bacteria possess a complex structural cell envelope that constitutes a barrier for antimicrobial peptides which neutralize the microbes by disrupting their cell membranes. Computational and experimental approaches were used to study a model outer membrane interaction with an antimicrobial peptide, melittin. The investigated membrane included di[3-deoxy-D-manno-octulosonyl]-lipid A (KLA) in the outer leaflet and 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (POPE) in the inner leaflet. Molecular dynamics simulations revealed, that the positively charged helical C-terminus of melittin anchors rapidly into the hydrophilic head-group region of KLA, while the flexible N-terminus makes contacts with the phosphate groups of KLA moving melittin into the boundary between the hydrophilic and hydrophobic regions of the lipids. Electrochemical techniques confirmed binding of melittin to the model membrane. To probe the peptide conformation and orientation during interaction with the membrane, polarization modulation infrared reflection absorption spectroscopy was used. The measurements revealed conformational changes in the peptide accompanied by reorientation and translocation of the peptide at the membrane surface. The study suggests that melittin insertion into the outer membrane affects its permeability and capacitance, but does not disturb the membrane’s integrity, indicating a distinct mechanism of the peptide action on the outer membrane of Gram-negative bacteria.

The Earth’s magnetic field can provide reliable directional information, allowing migrating animals to orient themselves using a magnetic compass or estimate their position relative to a target using map-based orientation. Here we show for the first time that young, inexperienced herring ( Clupea harengus , Ch) have a magnetic compass when they migrate hundreds of kilometres to their feeding grounds. In birds, such as the European robin ( Erithacus rubecula ), radical pair-based magnetoreception involving cryptochrome 4 (ErCRY4) was demonstrated; the molecular basis of magnetoreception in fish is still elusive. We show that cry4 expression in the eye of herring is upregulated during the migratory season, but not before, indicating a possible use for migration. The amino acid structure of herring ChCRY4 shows four tryptophans and a flavin adenine dinucleotide-binding site, a prerequisite for a magnetic receptor. Using homology modelling, we successfully reconstructed ChCRY4 of herring, DrCRY4 of zebrafish ( Danio rerio ) and StCRY4 of brown trout ( Salmo trutta ) and showed that ChCRY4, DrCRY4 and ErCRY4a, but not StCRY4, exhibit very comparable dynamic behaviour. The electron transfer could take place in ChCRY4 in a similar way to ErCRY4a. The combined behavioural, transcriptomic and simulation experiments provide evidence that CRY4 could act as a magnetoreceptor in Atlantic herring.

Birds appear to be equipped with a light-dependent, radical-pair-based magnetic compass that relies on truly quantum processes. While the identity of the sensory protein has remained speculative, cryptochrome 4 has recently been identified as the most auspicious candidate. Here, we report on all-atom molecular dynamics (MD) simulations addressing the structural reorganisations that accompany the photoreduction of the flavin cofactor in a model of the European robin cryptochrome 4 (ErCry4). Extensive MD simulations reveal that the photo-activation of ErCry4 induces large-scale conformational changes on short (hundreds of nanoseconds) timescales. Specifically, the photo-reduction is accompanied with the release of the C-terminal tail, structural rearrangements in the vicinity of the FAD-binding site, and the noteworthy formation of an α-helical segment at the N-terminal part. Some of these rearrangements appear to expose potential phosphorylation sites. We describe the conformational dynamics of the protein using a graph-based approach that is informed by the adjacency of residues and the correlation of their local motions. This approach reveals densely coupled reorganisation communities, which facilitate an efficient signal transduction due to a high density of hubs. These communities are interconnected by a small number of highly important residues characterized by high betweenness centrality. The network approach clearly identifies the sites restructuring upon photo-activation, which appear as protrusions or delicate bridges in the reorganisation network. We also find that, unlike in the homologous cryptochrome from D. melanogaster, the release of the C-terminal domain does not appear to be correlated with the transposition of a histidine residue close to the FAD cofactor.

Abstract Biological processes involve movements across all measurable scales. Similarity measures can be applied to compare and analyze these movements but differ in how differences in movement are aggregated across space and time. The present study reviews frequently-used similarity measures, such as the Hausdorff distance, Frechet distance, Dynamic Time Warping, and Longest Common Subsequence, jointly with several measures less used in biological applications (Wasserstein distance, weak Fréchet distance, and Kullback-Leibler divergence), and provides computational tools for each of them that may be used in computational biology. We illustrate the use of the selected similarity measures in diagnosing differences within two extremely contrasting sets of biological data, which, remarkably, may both be relevant for magnetic field perception by migratory birds. Specifically, we assess and discuss cryptochrome protein conformational dynamics and extreme migratory trajectories of songbirds between Alaska and Africa. We highlight how similarity measures contrast regarding computational complexity and discuss those which can be useful in noise elimination or, conversely, are sensitive to spatiotemporal scales.

Abstract Migratory birds possess remarkable accuracy in orientation and navigation, which involves various compass systems including the magnetic compass. Identifying the primary magnetosensor remains a fundamental open question. Cryptochromes (Cry) have been shown to be magnetically sensitive, specifically Cry4 shows enhanced magnetic sensitivity in migratory songbirds compared to resident species. Here, we investigate cryptochromes and their potential involvement in magnetoreception in a phylogenetic framework, integrating molecular evolutionary analyses with protein dynamics modeling. We base our analysis on 363 bird genomes and associate different selection regimes with migratory behaviour. We show that Cry4 is characterized by strong positive selection and high variability, typical characteristics of sensor proteins. We identify key sites that likely facilitated the evolution of a highly optimized sensory protein for night time compass orientation in songbirds and a potential functional shift or specialisation. Additionally, we show that Cry4 was lost in hummingbirds, parrots and Tyranni (Suboscines) and thus identified a natural comparative gene knockout, which can be used to test the function of Cry4 in birds. In contrast, the other two cryptochromes Cry1 and Cry2, were highly conserved in all species, indicating basal, non-sensory functions. Our results strengthen the hypothesised role of Cry4 as sensor protein in (night)-migratory songbirds.

The chemical reactivity of radical pairs is strongly influenced by the interactions of electronic and nuclear spins. A detailed understanding of these effects requires a quantum description of the spin dynamics that considers spin-dependent reaction rates, interactions with external magnetic fields, spin-spin interactions, and the loss of spin coherence caused by coupling to a fluctuating environment. Modeling real chemical and biochemical systems, which frequently involve radicals with multinuclear spin systems, poses a severe computational challenge. Here, we implement a method based on the stochastic Schrödinger equation in the software package

It is still a puzzle that has not been entirely solved how migratory birds utilize the Earth's magnetic field for biannual migration. The most consistent explanation thus far is rooted in the modulation of the biological function of the cryptochrome 4 (Cry4) protein by an external magnetic field. This phenomenon is closely linked with the flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor that is noncovalently bound in the protein. Cry4 is activated by blue light, which is absorbed by the FAD cofactor. Subsequent electron and proton transfers trigger radical pair formation in the protein, which is sensitive to the external magnetic field. An important long-lasting redox state of the FAD cofactor is the signaling (FADH•) state, which is present after the transient electron transfer steps have been completed. Recent experimental efforts succeeded in crystallizing the Cry4 protein from Columbia livia (ClCry4) with all of the important residues needed for protein photoreduction. This specific crystallization of Cry4 protein so far is the only avian cryptochrome crystal structure available, which, however, has great similarity to the Cry4 proteins of night migratory birds. The previous experimental studies of the ClCry4 protein included the absorption properties of the protein in its different redox states. The absorption spectrum of the FADH• state demonstrated a peculiar red shift compared to the photoabsorption properties of the FAD cofactor in its FADH• state in other Cry proteins from other species. The aim of this study is to understand this red shift by employing the tools of computational microscopy and, in particular, a QM/MM approach that relies on the polarizable embedding approximation.

Magnetoreception, the ability to sense magnetic fields, is widespread in animals but remains poorly understood. The leading model links this ability in migratory birds to the photo-activation of the protein cryptochrome. Magnetic information is thought to induce structural changes in cryptochrome via a transient radical pair intermediate. This signal transduction pathway has been the subject of previous all-atom molecular dynamics (MD) simulations, but insights were limited to short timescales and equilibrium structures. To address this, we developed a non-equilibrium coarse-grained MD simulation approach, exploring cryptochrome's photo-reduction over 20 replicates of 20 µs each. Our results revealed significant structural changes across the protein, with an overall time constant of 3 µs. The C-terminal (CT) region responded on a timescale of 4.7 µs, followed by the EEE-motif, while the phosphate binding loop (PBL) showed slower dynamics (9 µs). Network analysis highlighted direct pathways connecting the tryptophan tetrad to the CT, and distant pathways involving the EEE and PBL regions. The CT-dynamics are significantly impacted by a rearrangement of tryptophan residues in the central electron transfer chain. Our findings underscore the importance of considering longer timescales when studying cryptochrome magnetoreception and highlight the potential of non-equilibrium coarse-grained MD simulations as a powerful tool to unravel protein photoactivation reactions.Graphical abstract

The influence of weak radio-frequency electromagnetic field (RF-EMF) on living organisms raises new concern because of the Industrial, Scientific, and Medical (ISM) frequency band at 6.78 MHz being promoted by the AirFuel Alliance for mid-range wireless power transfer (WPT) applications and product development. Human exposure to the RF-EMF radiation is unavoidable. In this study, we employed