ATP boosts protein solubility Adenosine triphosphate (ATP) has well-characterized roles in providing energy for biochemical reactions within cells. Patel et al. find that ATP may also enhance protein solubility, which could help explain why such high concentrations of ATP are maintained in cells (see the Perspective by Rice and Rosen). Protein concentrations in cells can exceed 100 mg/ml. The authors found that ATP at concentrations found in cells could act as a hydrotrope to help solubilize hydrophobic proteins. The results raise the possibility that ATP concentrations could influence processes such as protein aggregation that occur in disease or liquid-liquid phase separations that occur within cells. Science , this issue p. 753 ; see also p. 701

Structural DNA nanotechnology seeks to build synthetic molecular machinery from DNA. DNA nanomachines are artificially designed assemblies that switch between defined conformations in response to an external cue. Though it has proved possible to create DNA machines and rudimentary walkers, the function of such autonomous DNA-based molecular devices has not yet been achieved inside living organisms. Here we demonstrate the operation of a pH-triggered DNA nanomachine inside the nematode Caenorhabditis elegans. The nanomachine uses fluorescence resonance energy transfer to effectively map spatiotemporal pH changes associated with endocytosis in wild type as well as mutant worms, demonstrating autonomous function within the organismal milieu in a variety of genetic backgrounds. From this first demonstration of the independent functionality of a DNA nanomachine in vivo, we observe that rationally designed DNA-based molecular devices retain their in vitro functionality with quantitative precision. This positions DNA nanodevices as exciting and powerful tools to interrogate complex biological phenomena. Many synthetic DNA nanomachines have been developed and demonstratedin vitro, but their use in living organisms has not been reported. Now, a DNA nanomachine, the I-switch, is used to map spatiotemporal pH changes associated with endosomal maturation within coelomocytes of Caenorhabditis elegans.

The encapsulation of molecular cargo within well-defined supramolecular architectures is highly challenging. Synthetic hosts are desirable because of their well-defined nature and addressability. Encapsulation of biomacromolecules within synthetic hosts is especially challenging because of the former's large size, sensitive nature, retention of functionality post-encapsulation and demonstration of control over the cargo. Here we encapsulate a fluorescent biopolymer that functions as a pH reporter within synthetic, DNA-based icosahedral host without molecular recognition between host and cargo. Only those cells bearing receptors for the DNA casing of the host–cargo complex engulf it. We show that the encapsulated cargo is therefore uptaken cell specifically in Caenorhabditis elegans. Retention of functionality of the encapsulated cargo is quantitatively demonstrated by spatially mapping pH changes associated with endosomal maturation within the coelomocytes of C. elegans. This is the first demonstration of functionality and emergent behaviour of a synthetic host–cargo complex in vivo. Encapsulating molecules within supramolecular frameworks for potential biological application is challenging. Bhatiaet al. incorporate a fluorescent polymer within an icosahedral DNA nanocapsule, and show that it can be used to target specific cells in vivoand map pH spatially and temporally.

Abstract The role of membrane potential in most intracellular organelles remains unexplored because of the lack of suitable probes. We describe a DNA-based fluorescent reporter that quantitates membrane potential and can be targeted to specific organelles in live cells. It is equipped with a voltage sensitive fluorophore, a reference fluorophore for ratiometric quantification, and acts as an endocytic tracer. We could thereby measure the membrane potential of different intracellular organelles in living cells, which has not been possible previously. Our understanding of how membrane potential regulates organelle biology is poised to expand through the use of these new sensors. One Sentence Summary Using a DNA-based voltmeter we can non-invasively measure the membrane potential of specific organelles in live cells.

Abstract Lysosomes adopt dynamic, tubular states that regulate antigen presentation, phagosome resolution and autophagy. To date, tubular lysosomes have been studied either by inducing autophagy or by activating immune cells, both of which lead to cell states where lysosomal gene expression differs from the resting state. Therefore, it has been challenging to pinpoint the specific biochemical properties lysosomes acquire upon tubulation that could drive their functionality. We describe a DNA-based assembly that tubulates lysosomes in macrophages without activating them. Lumenal proteolytic activity maps at single lysosome resolution revealed that tubular lysosomes were less degradative. Further, they showed striking proximal to distal lumenal pH and Ca 2+ gradients. Such gradients had been predicted, but never previously observed. We now identify a role for tubular lysosomes whereby they poise resting macrophages for phagocytosis. The ability to tubulate lysosomes without having to starve or activate immune cells may help reveal new roles for tubular lysosomes.

Abstract Lysosomes are organelles responsible for the breakdown and recycling of cellular machinery. Dysfunctional lysosomes give rise to lysosomal storage disorders as well as common neurodegenerative diseases. Here, we use a DNA-based, fluorescent chloride reporter to measure lysosomal chloride in Caenorhabditis elegans as well as murine and human cell culture models of lysosomal diseases. We find that the lysosome is highly enriched in chloride, and that chloride reduction correlates directly with a loss in the degradative function of the lysosome. In nematodes and mammalian cell culture models of diverse lysosomal disorders, where previously only lysosomal pH dysregulation has been described, massive reduction of lumenal chloride is observed that is ~10 4 -fold greater than the accompanying pH change. Reducing chloride within the lysosome impacts Ca 2+ release from the lysosome and impedes the activity of specific lysosomal enzymes indicating a broader role for chloride in lysosomal function. −149 words.

Ammonia is a ubiquitous, toxic by-product of cell metabolism. Its high membrane permeability and proton affinity causes ammonia to accumulate inside acidic lysosomes in its poorly membrane-permeant form: ammonium (NH 4+ ). Ammonium buildup compromises lysosomal function, suggesting the existence of mechanisms that protect cells from ammonium toxicity. Here, we identified SLC12A9 as a lysosomal ammonium exporter that preserves lysosomal homeostasis. SLC12A9 knockout cells showed grossly enlarged lysosomes and elevated ammonium content. These phenotypes were reversed upon removal of the metabolic source of ammonium or dissipation of the lysosomal pH gradient. Lysosomal chloride increased in SLC12A9 knockout cells and chloride binding by SLC12A9 was required for ammonium transport. Our data indicate that SLC12A9 is a chloride-driven ammonium co-transporter that is central in an unappreciated, fundamental mechanism of lysosomal physiology that may have special relevance in tissues with elevated ammonia, such as tumors.

Abstract Potassium efflux via the two pore K + channel TWIK2 is a requisite step for the activation of the NLRP3 inflammasome, however it is unclear how the efflux is activated in response to cues. Here we report that during homeostasis, TWIK2 resides in endosomal compartments. TWIK2 is transported by endosomal fusion to the plasmalemma in response to increased extracellular ATP resulting in extrusion of K + ATP-induced endosomal TWIK2 plasmalemma translocation is regulated by Rab11a. Deleting Rab11a or ATP ligated purinergic receptor P2X7 prevented endosomal fusion with the plasmalemma and K + efflux and NLRP3 inflammasome activation in macrophages. Adoptive transfer of Rab11a-deleted macrophages into mouse lungs prevented NLRP3 inflammasome activation and inflammatory lung injury. Rab11a-mediated endosomal trafficking in macrophages thus regulates TWIK2 abundance and activity on the cell surface and downstream activation of the NLRP3 inflammasome. Endosomal trafficking of TWIK2 to the plasmalemma is therefore a potential therapy target in acute or chronic inflammatory states.