Visualizing a response to light Many biological processes depend on detecting and responding to light. The response is often mediated by a structural change in a protein that begins when absorption of a photon causes isomerization of a chromophore bound to the protein. Pande et al. used x-ray pulses emitted by a free electron laser source to conduct time-resolved serial femtosecond crystallography in the time range of 100 fs to 3 ms. This allowed for the real-time tracking of the trans-cis isomerization of the chromophore in photoactive yellow protein and the associated structural changes in the protein. Science , this issue p. 725

Enzymes catalyze biochemical reactions through precise positioning of substrates, cofactors, and amino acids to modulate the transition-state free energy. However, the role of conformational dynamics remains poorly understood due to lack of experimental access. This shortcoming is evident with E. coli dihydrofolate reductase (DHFR), a model system for the role of protein dynamics in catalysis, for which it is unknown how the enzyme regulates the different active site environments required to facilitate proton and hydride transfer. Here, we present ligand-, temperature-, and electric-field-based perturbations during X-ray diffraction experiments that enable identification of coupled conformational changes in DHFR. We identify a global hinge motion and local networks of structural rearrangements that are engaged by substrate protonation to regulate solvent access and promote efficient catalysis. The resulting mechanism shows that DHFR's two-step catalytic mechanism is guided by a dynamic free energy landscape responsive to the state of the substrate.

Time-resolved X-ray crystallography (TR-X) at synchrotrons and free electron lasers is a promising technique for recording dynamics of molecules at atomic resolution. While experimental methods for TR-X have proliferated and matured, data analysis is often difficult. Extracting small, time-dependent changes in signal is frequently a bottleneck for practitioners. Recent work demonstrated this challenge can be addressed when merging redundant observations by a statistical technique known as variational inference (VI). However, the variational approach to time-resolved data analysis requires identification of successful hyperparameters in order to optimally extract signal. In this case study, we present a successful application of VI to time-resolved changes in an enzyme, DJ-1, upon mixing with a substrate molecule, methylglyoxal. We present a strategy to extract high signal-to-noise changes in electron density from these data. Furthermore, we conduct an ablation study, in which we systematically remove one hyperparameter at a time to demonstrate the impact of each hyperparameter choice on the success of our model. We expect this case study will serve as a practical example for how others may deploy VI in order to analyze their time-resolved diffraction data.

The i-motif is a pH-responsive cytosine-rich oligonucleotide sequence that forms, under acidic conditions, a quadruplex structure. This tunable structural switching has made the i-motif a useful platform for designing pH-responsive nanomaterials. Despite the widespread application of i-motif DNA constructs as biomolecular switches, the mechanism of i-motif folding on the atomic scale has yet to be established. We investigate the early folding structural dynamics of i-motif oligonucleotides with laser-pulse-induced pH-jump time-resolved X-ray solution scattering. Following the pH-jump, we observe that the initial random coil ensemble converts into a contracted intermediate state within 113 ns followed by further folding on the 10 ms time scale. We reveal the representative structures of these transient species, hitherto unknown, with molecular dynamics simulations and ensemble fitting. These results pave the way for understanding metastable conformations of i-motif folding and for benchmarking emerging theoretical models for simulating noncanonical nucleic acid structures.

DJ-1 (PARK7) is an intensively studied protein whose cytoprotective activities are dysregulated in multiple diseases. DJ-1 has been reported as having two distinct enzymatic activities in defense against reactive carbonyl species that are difficult to distinguish in conventional biochemical experiments. Here, we establish the mechanism of DJ-1 using a synchrotron-compatible version of mix-and-inject-serial crystallography (MISC), which was previously performed only at XFELs, to directly observe DJ-1 catalysis. We designed and used new diffusive mixers to collect time-resolved Laue diffraction data of DJ-1 catalysis at a pink beam synchrotron beamline. Analysis of structurally similar methylglyoxal-derived intermediates formed through the DJ-1 catalytic cycle shows that the enzyme catalyzes nearly two turnovers in the crystal and defines key aspects of its glyoxalase mechanism. In addition, DJ-1 shows allosteric communication between a distal site at the dimer interface and the active site that changes during catalysis. Our results rule out the widely cited deglycase mechanism for DJ-1 action and provide an explanation for how DJ-1 produces L-lactate with high chiral purity.

The application of two-photon excitation (TPE) in the study of light-responsive materials holds immense potential due to its deeper penetration and reduced photodamage. Despite these benefits, TPE has been underutilised in the investigation of the photoinduced spin crossover (SCO) phenomenon. Here, we employ TPE to delve into the out-of-equilibrium dynamics of a SCO Fe