Abstract Single-molecule FRET (smFRET) has become an established tool to study biomolecular structure and dynamics in vitro and in live cells. We performed a worldwide blind study involving 19 labs to assess the uncertainty of FRET experiments for proteins with respect to the measured FRET efficiency histograms, determination of distances, and the detection and quantification of structural dynamics. Using two protein systems that undergo distinct conformational changes, we obtained an uncertainty of the FRET efficiency of less than ± 0.06, corresponding to an interdye distance precision of ≤ 0.2 nm and accuracy of ≤ 0.5 nm. We further discuss the limits for detecting distance fluctuations with sensitivity down to ≲ 10% of the Förster distance and provide guidelines on how to detect potential dye perturbations. The ability of smFRET experiments to simultaneously measure distances and avoid averaging of conformational dynamics slower than the fluorescence lifetime is unique for dynamic structural biology.

Over the past decades, single-molecule and super-resolution microscopy have advanced and represent essential tools for life science research. There is,however, a growing gap between the state-of-the-art and what is accessible to biologists, biochemists, medical researchers or labs with financial constraints. To bridge this gap, we introduce Brick-MIC, a versatile and affordable open-source 3D-printed micro-spectroscopy and imaging platform. Brick-MIC enables the integration of various fluorescence imaging techniques with single-molecule resolution within a single platform and exchange between different modalities within minutes. We here present variants of Brick-MIC that facilitate single-molecule fluorescence detection, fluorescence correlation spectroscopy and super-resolution imaging (STORM and PAINT). Detailed descriptions of the hardware and software components, as well as data analysis routines are provided, to allow non-optics specialist to operate their own Brick-MIC with minimal effort and investments. We foresee that our affordable, flexible, and opensource Brick-MIC platform will be a valuable tool for many laboratories worldwide.

Abstract Novel biophysical tools allow the structural dynamics of proteins, and the regulation of such dynamics by binding partners, to be explored in unprecedented detail. Although this has provided critical insights into protein function, the means by which structural dynamics direct protein evolution remains poorly understood. Here, we investigated how proteins with a bilobed structure, composed of two related domains from the type-II periplasmic binding protein domain family, have undergone divergent evolution leading to modification of their structural dynamics and function. We performed a structural analysis of ~600 bilobed proteins with a common primordial structural core, which we complemented with biophysical studies to explore the structural dynamics of selected examples by single-molecule Förster resonance energy transfer and Hydrogen-Deuterium exchange mass spectrometry. We show that evolutionary modifications of the structural core, largely at its termini, enables distinct structural dynamics, allowing the diversification of these proteins into transcription factors, enzymes, and extra-cytoplasmic transport-related proteins. Structural embellishments of the core created new interdomain interactions that stabilized structural states, reshaping the active site geometry, and ultimately, altered substrate specificity. Our findings reveal an as yet unrecognized mechanism for the emergence of functional promiscuity during long periods of protein evolution and are applicable to a large number of domain architectures.

ABSTRACT The ATP-binding cassette transporter GlnPQ is an essential uptake system that transports glutamine, glutamic acid, and asparagine in Gram-positive bacteria. It features two extracytoplasmic substrate-binding domains (SBDs) that are linked in tandem to the transmembrane domain of the transporter. The two SBDs differ in their ligand specificities, binding affinities and their distance to the transmembrane domain. Here, we elucidate the effects of the tandem arrangement of the domains on the biochemical, biophysical and structural properties of the protein. For this, we determined the crystal structure of the ligand-free tandem SBD1-2 protein from L. lactis in the absence of the transporter and compared the tandem to the isolated SBDs. We also used isothermal titration calorimetry to determine the ligand-binding affinity of the SBDs and single-molecule Förster-resonance energy transfer (smFRET) to relate ligand binding to conformational changes in each of the domains of the tandem. We show that substrate binding and conformational changes are not notably affected by the presence of the adjoining domain in the wild-type protein, and changes only occur when the linker between the domains is shortened. In a proof-of-concept experiment, we combine smFRET with protein-induced fluorescence enhancement and show that a decrease in SBD linker length is observed as a linear increase in donor-brightness for SBD2 while we can still monitor the conformational states (open/closed) of SBD1. These results demonstrate the feasibility of PIFE-FRET to monitor protein-protein interactions and conformational states simultaneously. HIGHLIGHTS Resolved crystal structure of tandem SBD1-2 of GlnPQ from Lactococcus lactis Conformational states and ligand binding affinities of individual domains SBD1 and SBD2 are similar to tandem SBD1-2 No cooperative effects are seen for different ligands for SBDs in the tandem Proof of concept experiments show that PIFE-FRET can monitor SBD conformations and protein-protein interaction simultaneously

Abstract Single-molecule localization microscopy (SMLM) is a powerful technique for elucidating structure and dynamics in the life- and material sciences with sub-50 nm spatial resolution. The simultaneous acquisition of spectral information (spectrally resolved SMLM, sSMLM) enables multiplexing using spectrally distinct fluorophores or enable the probing of local chemical environments by using solvachromatic fluorophores such as Nile Red. Until now, the widespread utilisation of sSMLM was hampered by several challenges: an increased complexity of the optical detection pathway, limited software solutions for data analysis, lower accessible emitter densities or smaller field-of-views, and overall compromised spatio-spectral resolution. Here, we present a low-cost implementation of sSMLM that addresses these challenges. Using a blazed, low-dispersion transmission grating positioned close to the image plane here represented by the camera sensor, the +1 st diffraction order is minimally elongated compared to the point spread function of the 0 th order and can therefore be analysed using common subpixel single-molecule localization algorithms. The distance between both PSFs provides accurate information on the spectral properties of the emitter. The minimal excess width of 1 st order PSFs enables a fivefold higher emitter density compared to other sSMLM approaches whilst achieving a spatio-spectral localization accuracy sufficient to discriminate between fluorophores whose peak emission are less than 15 nm apart as demonstrated using dSTORM, DNA-PAINT and smFRET. We provide an ImageJ/Fiji plugin (sSMLMAnalyzer) and suitable Matlab scripts for data analysis. We envision that our approach will find widespread use in super-resolution applications that rely on distinguishing spectrally different fluorophores under low photon conditions.

Abstract L-amino acid transporters (LATs) play a key role in a wide range of physiological processes. Defects in LATs can lead to neurological disorders and aminoacidurias, while the overexpression of these transporters is related to cancer. BasC is a bacterial LAT transporter with an APC fold. In this study, to monitor the cytoplasmic motion of BasC, we developed a smFRET assay that can characterize the conformational states of the intracellular gate in solution at room temperature. Based on combined biochemical and biophysical data and molecular dynamics simulations, we propose a model in which the conserved lysine residue in TM5 supports TM1a to explore both open and closed states within the cytoplasmic gate under apo conditions. This equilibrium can be altered by substrates, mutation of conserved lysine 154 in TM5, or transport-blocking nanobodies. Overall, these findings provide insights into the transport mechanism of BasC and highlight the significance of the lysine residue in TM5 in the cytoplasmic gating of LATs.

Abstract Ligand binding and conformational changes of biomacromolecules play a central role in the regulation of cellular processes. It is important to understand how both are coupled and what their role is in biological function. The biochemical properties, conformational states, and structural dynamics of periplasmic substrate-binding proteins (abbreviated SBPs or PBPs), which are associated with a wide range of membrane proteins, have been extensively studied over the past decades. Their ligand-binding mechanism, i.e., the temporal order of ligand-protein interactions and conformational changes, however, remains a subject of controversial discussion. We here present a biochemical and biophysical analysis of the E. coli glutamine-binding protein GlnBP concerning ligand binding and its coupling to conformational changes. For this, we used a combination of experimental techniques including isothermal titration calorimetry, single-molecule Förster resonance energy transfer, and surface-plasmon resonance spectroscopy. We found that both apo- and holo-GlnBP show no detectable exchange between open and (semi-)closed conformations on timescales between 100 ns and 10 ms. Furthermore, we also demonstrate that ligand binding and conformational changes in GlnBP are highly correlated. A global analysis of our results is consistent with a dominant induced-fit mechanism, where the ligand binds GlnBP prior to conformational rearrangements. Importantly, we suggest that the rigorous experimental and theoretical framework used here can be applied to other protein systems where the coupling mechanism of conformational changes and ligand binding is yet unclear or where doubts prevail.