Abstract Optimum protein function and biochemical activity critically depends on water availability because solvent thermodynamics drive protein folding and macromolecular interactions 1 . Reciprocally, macromolecules restrict the movement of ‘structured’ water molecules within their hydration layers, reducing the available ‘free’ bulk solvent and therefore the total thermodynamic potential energy of water, or water potential. Here, within concentrated macromolecular solutions such as the cytosol, we found that modest changes in temperature greatly affect the water potential, and are counteracted by opposing changes in osmotic strength. This duality of temperature and osmotic strength enables simple manipulations of solvent thermodynamics to prevent cell death after extreme cold or heat shock. Physiologically, cells must sustain their activity against fluctuating temperature, pressure and osmotic strength, which impact water availability within seconds. Yet, established mechanisms of water homeostasis act over much slower timescales 2,3 ; we therefore postulated the existence of a rapid compensatory response. We find that this function is performed by water potential-driven changes in macromolecular assembly, particularly biomolecular condensation of intrinsically disordered proteins. The formation and dissolution of biomolecular condensates liberates and captures free water, respectively, quickly counteracting thermal or osmotic perturbations of water potential, which is consequently robustly buffered in the cytoplasm. Our results indicate that biomolecular condensation constitutes an intrinsic biophysical feedback response that rapidly compensates for intracellular osmotic and thermal fluctuations. We suggest that preserving water availability within the concentrated cytosol is an overlooked evolutionary driver of protein (dis)order and function.

Summary Differentiation between distinct stages is fundamental for the life cycle of intracellular protozoan parasites and for transmission between hosts, requiring stringent spatial and temporal regulation. Here we applied kinome-wide gene deletion and gene tagging in Leishmania mexicana promastigotes to define protein kinases with life cycle transition roles. Whilst 162 were dispensable, 44 protein kinase genes were refractory to deletion in promastigotes and are likely core genes required for parasite replication. Phenotyping of pooled gene deletion mutants using bar-seq and projection pursuit clustering revealed functional phenotypic groups of protein kinases involved in differentiation from metacyclic promastigote to amastigote, growth and survival in macrophages and mice, colonisation of the sand fly and motility. This unbiased interrogation of protein kinase function in Leishmania allows targeted investigation of organelle-associated signalling pathways required for successful intracellular parasitism.

Summary Circadian rhythms result from cell-intrinsic timing mechanisms that impact health and disease 1,2 . To date, however, neural circadian research has largely focused on the hypothalamic circuitry of nocturnal rodents 3 . Whether circadian rhythms exist in human brain cells is unknown. Here we show bona fide circadian rhythms in human neurons, glia, cerebral organoids, and cerebral organoid slices (ALI-COs) 4–8 . Human neural circadian rhythms are synchronised by physiological timing cues such as glucocorticoids and daily temperature cycles, and these rhythms are temperature-compensated across the range of normal human brain temperatures 9 . Astrocyte rhythms are phase-advanced relative to other cultures and they modulate neuronal clock responses to temperature shift. Cerebral organoid rhythms are more robust at physiological brain temperatures; the relative amplitude of these rhythms increases over time in culture and their resetting capacity recapitulates key neurodevelopmental transitions in glucocorticoid signalling 10–14 . Remarkably, organoid post-transcriptional bioluminescent clock reporter rhythms are retained even when those of their putative transcriptional drivers are indiscernible 15 , and electrophysiology recordings confirm circadian rhythms in functional activity of monocultures, organoids, and ALI-COs. Around one third of the cerebral organoid proteome and phosphoproteome are circadian-rhythmic, with temporal consolidation of disease-relevant neural processes. Finally, we show that human brain organoid rhythms can be modulated and disrupted by commonly used brain-permeant drugs and mistimed cortisol exposure, respectively. Our results demonstrate that human brain cells and tissues develop their own circadian oscillations and that canonical mechanisms of the circadian clockwork may be inadequate to explain these rhythmic phenomena. 2D and 3D human neural cultures represent complementary and tractable models for exploring the emergence, disruption, and mechanics of the circadian neural clockwork, with important implications for chronobiology, brain function, and brain health.

Abstract Early mammals were nocturnal until the Cretaceous-Paleogene extinction facilitated their rapid expansion into daytime niches. Diurnality subsequently evolved multiple times, independently, but the mechanisms facilitating this switch are unknown. We found that physiological daily temperature shifts oppositely affect circadian clock rhythms in nocturnal versus diurnal mammals. This occurs through a cell-intrinsic signal inverter, mediated by global differences in protein phosphorylation, and effected at the level of bulk protein synthesis rates, with diurnal translation rate being less thermosensitive than nocturnal. Perturbations that reduce translational initiation or mTOR activity are sufficient to trigger the nocturnal-to-diurnal switch at the cellular, tissue, and organismal scale. Our results suggest a convergent selection pressure to attain diurnality by reducing the effect of temperature-dependent changes in protein synthesis on circadian clocks. One sentence summary Recalibrating the thermosensitivity of protein synthesis drives daytime-selective activity in mammals.