The protein α-synuclein is the main component of Lewy bodies, the neuron-associated aggregates seen in Parkinson disease and other neurodegenerative pathologies. An 11-residue segment, which we term NACore, appears to be responsible for amyloid formation and cytotoxicity of human α-synuclein. Here we describe crystals of NACore that have dimensions smaller than the wavelength of visible light and thus are invisible by optical microscopy. As the crystals are thousands of times too small for structure determination by synchrotron X-ray diffraction, we use micro-electron diffraction to determine the structure at atomic resolution. The 1.4 Å resolution structure demonstrates that this method can determine previously unknown protein structures and here yields, to our knowledge, the highest resolution achieved by any cryo-electron microscopy method to date. The structure exhibits protofibrils built of pairs of face-to-face β-sheets. X-ray fibre diffraction patterns show the similarity of NACore to toxic fibrils of full-length α-synuclein. The NACore structure, together with that of a second segment, inspires a model for most of the ordered portion of the toxic, full-length α-synuclein fibril, presenting opportunities for the design of inhibitors of α-synuclein fibrils.

One Protein, Two Probes A central challenge in the use of x-ray diffraction to characterize macromolecular structure is the propensity of the high-energy radiation to damage the sample during data collection. Recently, a powerful accelerator-based, ultrafast x-ray laser source has been used to determine the geometric structures of small protein crystals too fragile for conventional diffraction techniques. Kern et al. (p. 491 , published online 14 February) now pair this method with concurrent x-ray emission spectroscopy to probe electronic structure, as well as geometry, and were able to characterize the metal oxidation states in the oxygen-evolving complex within photosystem II crystals, while simultaneously verifying the surrounding protein structure.

In the many scientific endeavors that are driven by organic chemistry, unambiguous identification of small molecules is of paramount importance. Over the past 50 years, NMR and other powerful spectroscopic techniques have been developed to address this challenge. While almost all of these techniques rely on inference of connectivity, the unambiguous determination of a small molecule's structure requires X-ray and/or neutron diffraction studies. In practice, however, X-ray crystallography is rarely applied in routine organic chemistry due to intrinsic limitations of both the analytes and the technique. Here we report the use of the electron cryo-microscopy (cryoEM) method microcrystal electron diffraction (MicroED) to provide routine and unambiguous structural determination of small organic molecules. From simple powders, with minimal sample preparation, we could collect high-quality MicroED data from nanocrystals (∼100 nm, ∼10–15 g) resulting in atomic resolution (<1 Å) crystal structures in minutes.

Abstract G Protein-Coupled Receptors (GPCRs), or 7-transmembrane receptors, are a superfamily of membrane proteins that are critically important to physiological processes in the human body. Determining high-resolution structures of GPCRs without signaling partners bound requires crystallization in lipidic cubic phase (LCP). GPCR crystals grown in LCP are often too small for traditional X-ray crystallography. These microcrystals are ideal for investigation by microcrystal electron diffraction (MicroED), but the gel-like nature of LCP makes traditional approaches to MicroED sample preparation insurmountable. Here we show that the structure of a human A 2A adenosine receptor can be determined by MicroED after converting the LCP into the sponge phase followed by cryoFIB milling. We determined the structure of the A 2A receptor to 2.8 Å resolution and resolved an antagonist in its orthosteric ligand-binding site as well as 4 cholesterol molecules bound to the receptor. This study lays the groundwork for future GPCR structural studies using single microcrystals that would otherwise be impossible by other crystallographic methods. One sentence summary FIB milled LCP-GPCR structure determined by MicroED

Abstract Structures of two globular proteins were determined ab initio using microcrystal electron diffraction (MicroED) data that was collected on a direct electron detector in counting mode. Microcrystals were identified using a scanning electron microscope (SEM) and thinned with a focused ion-beam (FIB) to produce crystalline lamellae of ideal thickness. Continuous rotation data were collected using an ultra-low exposure rate on a Falcon 4 direct electron detector in electron-counting mode. For the first sample, triclinic lysozyme extending to 0.87 Å resolution, an ideal helical fragment of only three alanine residues provided initial phases. These phases were improved using density modification, allowing the entire atomic structure to be built automatically. A similar approach was successful on a second macromolecular sample, proteinase K, which is much larger and diffracted to a modest 1.5 Å resolution. These results demonstrate that macromolecules can be determined to sub-Ångström resolution by MicroED and that ab initio phasing can be successfully applied to counting data collected on a direct electron detector.

Abstract Microcrystal electron diffraction (MicroED) is a powerful technique utilizing electron cryo-microscopy (cryo-EM) for protein structure determination of crystalline samples too small for X-ray crystallography. Electrons interact with the electrostatic potential of the sample, which means that scattered electrons carry informing about the charged state of atoms and can provide strong contrast for visualizing hydrogen atoms. Accurately identifying the positions of hydrogen atoms, and by extension the hydrogen bonding networks, is of importance for drug discovery and electron microscopy can enable such visualization. Using subatomic resolution MicroED data obtained from triclinic hen egg-white lysozyme, we identified hundreds of individual hydrogen atom positions and directly visualize hydrogen bonding interactions and the charged states of residues. Over a third of all hydrogen atoms are identified from strong difference peaks, the most complete view of a macromolecular hydrogen network visualized by electron diffraction to date. These results show that MicroED can provide accurate structural information on hydrogen atoms and non-covalent hydrogen bonding interactions in macromolecules. Furthermore, we find that the hydrogen bond lengths are more accurately described by the inter-nuclei distances than the centers of mass of the corresponding electron clouds. We anticipate that MicroED, coupled with ongoing advances in data collection and refinement, can open further avenues for structural biology by uncovering and understanding the hydrogen bonding interactions underlying protein structure and function.

Abstract Crystallization of membrane proteins, such as G protein-coupled receptors (GPCRs), is challenging and frequently requires the use of lipidic cubic phase (LCP) crystallization methods. These typically yield crystals that are too small for synchrotron X-ray crystallography, but ideally suited for the cryogenic electron microscopy (cryoEM) method microcrystal electron diffraction (MicroED). However, the viscous nature of LCP makes sample preparation challenging. The LCP layer is often too thick for transmission electron microscopy (TEM), and crystals buried in LCP cannot be identified topologically using a focused ion-beam and scanning electron microscope (FIB/SEM). Therefore, the LCP needs to either be converted to the sponge phase or entirely removed from the path of the ion-beam to allow identification and milling of these crystals. Unfortunately, conversion of the LCP to sponge phase can also deteriorate the sample. Methods that avoid LCP conversion are needed. Here, we employ a novel approach using an integrated fluorescence light microscope (iFLM) inside of a FIB/SEM to identify fluorescently labelled crystals embedded deep in a thick LCP layer. The crystals are then targeted using fluorescence microscopy and unconverted LCP is removed directly using a plasma focused ion beam (pFIB). To assess the optimal ion source to prepare biological lamellae, we first characterized the four available gas sources on standard crystals of the serine protease, proteinase K. However, lamellae prepared using either argon and xenon produced the highest quality data and structures. Fluorescently labelled crystals of the human adenosine receptor embedded in thick LCP were placed directly onto EM grids without conversion to the sponge phase. Buried microcrystals were identified using iFLM, and deep lamellae were created using the xenon beam. Continuous rotation MicroED data were collected from the exposed crystalline lamella and the structure was determined using a single crystal. This study outlines a robust approach to identifying and milling LCP grown membrane protein crystals for MicroED using single microcrystals, and demonstrates plasma ion-beam milling as a powerful tool for preparing biological lamellae.

Abstract The relationship between sample thickness and quality of data obtained by microcrystal electron diffraction (MicroED) is investigated. Several EM grids containing proteinase K microcrystals of similar sizes from the same crystallization batch were prepared. Each grid was transferred into a focused ion-beam scanning electron microscope (FIB/SEM) where the crystals were then systematically thinned into lamellae between 95 nm and 1650 nm thick. MicroED data were collected at either 120, 200, or 300 kV accelerating voltages. Lamellae thicknesses were converted to multiples of the calculated inelastic mean free path (MFP) of electrons at each accelerating voltage to allow the results to be compared on a common scale. The quality of the data and subsequently determined structures were assessed using standard crystallographic measures. Structures were reliably determined from crystalline lamellae only up to twice the inelastic mean free path. Lower resolution diffraction was observed at three times the mean free path for all three accelerating voltages but the quality was insufficient to yield structures. No diffraction data were observed from lamellae thicker than four times the calculated inelastic mean free path. The quality of the determined structures and crystallographic statistics were similar for all lamellae up to 2x the inelastic mean free path in thickness, but quickly deteriorated at greater thicknesses. This study provides a benchmark with respect to the ideal limit for biological specimen thickness with implications for all cryo-EM methods. Significance A systematic investigation of the effects of thickness on electron scattering from protein crystals was previously not feasible, because there was no accurate method to control sample thickness. Here, the recently developed methods for preparing protein crystals into lamellae of precise thickness by ion-beam milling are used to investigate the effects of increasing sample thickness on MicroED data quality. These experiments were conducted using the three most common accelerating voltages in cryo-EM. Data across these accelerating voltages and thicknesses were compared on a common scale using their calculated inelastic mean free path lengths. It is found that structures may accurately be determined from crystals up to twice the inelastic mean free path length in thickness, regardless of the acceleration voltage.

Abstract A near-atomic resolution structure of the mouse voltage dependent anion channel (mVDAC) is determined by combining cryogenic focused ion-beam (FIB) milling and microcrystal electron diffraction (MicroED). The crystals were grown in a viscous modified bicelle suspension which limited their size and made them unsuitable for conventional X-ray crystallography. Individual thin, plate-like crystals were identified using scanning electron microscopy (SEM) and focused ion-beam (FIB) imaging at high magnification. Three crystals were milled into thin lamellae. MicroED data were collected from each lamellae and merged to increase completeness. Unmodelled densities were observed between protein monomers, suggesting the presence of lipids that likely mediate crystal contacts. This work demonstrates the utility of milling membrane protein microcrystals grown in viscous media using a focused ion-beam for subsequent structure determination by MicroED for samples that are not otherwise tractable by other crystallographic methods. To our knowledge, the structure presented here is the first of a membrane protein crystallized in a lipid matrix and solved by MicroED.

Microcrystal electron diffraction (MicroED) leverages the strong interaction between matter and electrons to determine protein structures from vanishingly small crystals. This strong interaction limits the thickness of crystals that can be investigated by MicroED, mainly due to absorption. Recent studies have demonstrated that focused ion beam (FIB) can thin even very large crystals into ideal sized lamellae however it is not clear how to best apply FIB-milling for MicroED. Here, The effects of polishing the lamellae, whereby the last few nanometers are milled away using a low-current gallium beam, are explored in both platinum pre-coated and uncoated samples. Our results suggest that pre-coating samples with a thin layer of platinum followed by polishing the crystal surfaces prior to data collection consistently led to superior results as indicated by higher signal/noise ratio, higher resolution and better refinement statistics. This study lays the foundation for routine and reproducible methodology for sample preparation in MicroED.