Positively charged repeat peptides are emerging as key players in neurodegenerative diseases. These peptides can perturb diverse cellular pathways but a unifying framework for how such promiscuous toxicity arises has remained elusive. We used mass-spectrometry-based proteomics to define the protein targets of these neurotoxic peptides and found that they all share similar sequence features that drive their aberrant condensation with these positively charged peptides. We trained a machine learning algorithm to detect such sequence features and unexpectedly discovered that this mode of toxicity is not limited to human repeat expansion disorders but has evolved countless times across the tree of life in the form of cationic antimicrobial and venom peptides. We demonstrate that an excess in positive charge is necessary and sufficient for this killer activity, which we name 'polycation poisoning'. These findings reveal an ancient and conserved mechanism and inform ways to leverage its design rules for new generations of bioactive peptides.

Soft x-ray tomography offers rapid whole single cell imaging with a few tens of nanometers spatial resolution without fixation or labelling. At the moment, this technique is limited to 10 µm thick specimens, such that applications of soft x-ray tomography to large human cells or multicellular specimens are not possible. We have developed a theoretical and experimental framework for soft x-ray tomography to enable extension of imaging volume to 18 µm thick specimens. This approach, based on long depth of field and half-acquisition tomography, is easily applicable to existing full-rotation based microscopes. This opens applications for imaging of large human cells, which are often observed in cancer research and cell to cell interactions.

Viruses target mitochondria to promote their replication, and infection-induced stress during the progression of infection leads to the regulation of antiviral defenses and mitochondrial metabolism which are opposed by counteracting viral factors. The precise structural and functional changes that underlie how mitochondria react to the infection remain largely unclear. Here we show extensive transcriptional remodeling of protein-encoding host genes involved in the respiratory chain, apoptosis, and structural organization of mitochondria as herpes simplex virus type 1 lytic infection proceeds from early to late stages of infection. High-resolution microscopy and interaction analyses unveiled infection-induced emergence of rough, thin, and elongated mitochondria relocalized at the perinuclear area, a significant increase in the number and clustering of ER-mitochondria contact sites, and thickening and shortening of mitochondrial cristae. Finally, metabolic analyses demonstrated that reactivation of ATP production is accompanied by increased mitochondrial Ca2+ content and proton leakage as the infection proceeds. Overall, the significant structural and functional changes in the mitochondria triggered by the viral invasion are tightly connected to the progression of the virus infection.

In this manuscript, we introduce a linear approximation of the forward model of soft x-ray tomography (SXT), such that the reconstruction is solvable by standard iterative schemes. This linear model takes into account the three-dimensional point spread function (PSF) of the optical system, which consequently enhances the reconstruction data.The feasibility of the model is demonstrated on both simulated and experimental data, based on theoretically estimated and experimentally measured PSFs.

Ostreococcus tauri is an ancient phototrophic microalgae that possesses favorable genetic and cellular characteristics for reductionist studies probing biosystem design and dynamics. Here multimodal bioimaging and multi-omics techniques were combined to interrogate O. tauri cellular changes in response to variations in bioavailable nitrogen and carbon ratios. Confocal microscopy, stimulated Raman scattering, and cryo-soft x-ray tomography revealed whole cell ultrastructural dynamics and composition while proteomic and lipidomic profiling captured changes at the molecular and macromolecular scale. Despite several energy dense long-chain triacylglycerol lipids showing more than 40-fold higher abundance under N deprivation, only a few proteins directly associated with lipid biogenesis showed significant expression changes. However, the entire pathway for starch granule biosynthesis was highly upregulated suggesting much of the cellular energy is preferentially directed towards starch over lipid accumulation. Additionally, three of the five most downregulated and five of the ten most upregulated proteins during severe nitrogen depletion were unnamed protein products that warrant additional biochemical analysis and functional annotation to control carbon transformation dynamics in this smallest eukaryote.

Lipid droplet biogenesis, accumulation and secretion is an important field of research spanning biofuel feedstock production in algae and yeast to plant-microbe symbiosis or human metabolic disorders and other diseases. Here we evaluate the critical elements that influence lipid accumulation in the highly simplified and smallest known eukaryote Ostreococcus tauri and identify several conditions that satisfy its classification as an oleaginous green alga. In addition, these experiments revealed the release of excess lipids in pea-pod like structures where many dense lipid droplets are clustered in a linear fashion surrounded by an enveloping membrane which contrasts with known mechanisms from other eukaryotes. These results highlight the potential for Ostreococcus tauri to probe the evolution of lipid droplet dynamics as an emerging model organism with a compacted eukaryotic genome and also to impact lipid feedstock bioproduction applications either directly or using synthetic biology.

While many heterologous molecules can be produced at trace concentrations via microbial bioconversion processes, maximizing their titers, rates, and yields from lignin-derived carbon streams remains challenging. Growth coupling can not only increase titers and yields but also shift the production period from stationary phase to growth phase. These methods for designing growth-coupling strains however require multi-gene edits for implementation which may be perceived as impractical. Here, we computationally evaluated 4,114 potential solutions for growth coupling para -coumarate to indigoidine production and prototype two cut sets in Pseudomonas putida KT2440. We used adaptive laboratory evolution (ALE) on the initial triple deletion strain to restore growth on p -CA. Using X-ray tomography on this post-ALE strain we revealed increased cell density and decreased cell volume. Proteomics identified upregulated peroxidases that mitigate reactive oxygen species formation. Nine iterative stepwise modifications further informed by model-guided and rational approaches realized a growth coupled strain that produced 7.3 g/L indigoidine at 77% MTY in para -coumarate minimal media. These ensemble strategies provide a blueprint for producing target molecules at high product titers, rates, and yields.