Abstract In cryogenic electron microscopy (cryo-EM), specimen preparation remains a bottleneck despite recent advancements. Classical plunge freezing methods often result in issues like aggregation and preferred orientations at the air/water interface. Many alternative methods have been proposed, but there remains a lack a universal solution, and multiple techniques are often required for challenging samples. Here, we demonstrate the use of lipid nanotubes with nickel NTA headgroups as a platform for cryo-EM sample preparation. His-tagged specimens of interest are added to the tubules, and they can be frozen by conventional plunge freezing. We show that the nanotubes protect samples from the air/water interface and promote a wider range of orientations. The reconstruction of average subtracted tubular regions (RASTR) method allows for the removal of the nanotubule signal from the cryo-EM images resulting in isolated images of specimens of interest. Testing with β-galactosidase validates the method’s ability to capture particles at lower concentrations, overcome preferred orientations, and achieve near-atomic resolution reconstructions. Since the nanotubules can be identified and targeted automatically at low magnification, the method enables fully automated data collection. Furthermore, the particles on the tubes can be automatically identified and centered using 2D classification enabling particle picking without requiring prior information. Altogether, our approach that we call specimen preparation on a tube RASTR (SPOT-RASTR) holds promise for overcoming air-water interface and preferred orientation challenges and offers the potential for fully automated cryo-EM data collection and structure determination.

Abstract In cryogenic electron microscopy (cryo-EM), specimen preparation remains a bottleneck despite recent advancements. Classical plunge freezing methods often result in issues like aggregation and preferred orientations at the air/water interface. Many alternative methods have been proposed, but there remains a lack a universal solution, and multiple techniques are often required for challenging samples. Here, we demonstrate the use of lipid nanotubes with nickel NTA headgroups as a platform for cryo-EM sample preparation. His-tagged specimens of interest are added to the tubules, and they can be frozen by conventional plunge freezing. We show that the nanotubes protect samples from the air/water interface and promote a wider range of orientations. The reconstruction of average subtracted tubular regions (RASTR) method allows for the removal of the nanotubule signal from the cryo-EM images resulting in isolated images of specimens of interest. Testing with β-galactosidase validates the method's ability to capture particles at lower concentrations, overcome preferred orientations, and achieve near-atomic resolution reconstructions. Since the nanotubules can be identified and targeted automatically at low magnification, the method enables fully automated data collection. Furthermore, the particles on the tubes can be automatically identified and centered using 2D classification enabling particle picking without requiring prior information. Altogether, our approach that we call specimen preparation on a tube RASTR holds promise for overcoming air–water interface and preferred orientation challenges and offers the potential for fully automated cryo-EM data collection and structure determination.

Abstract Escherichia coli NADPH-dependent assimilatory sulfite reductase is responsible for fixing sulfur for incorporation into sulfur-containing biomolecules. The oxidoreductase is composed of two subunits, an NADPH, FMN, and FAD-binding diflavin reductase and an iron siroheme and Fe 4 S 4 -containing oxidase. How they interact has been an unknown for over 50 years because the complex is highly flexible, thus has been intransigent for traditional X-ray or cryo-EM structural analysis. Using a combination of the chameleon plunging system with a fluorinated lipid we overcame the challenge of preserving the minimal dimer between the subunits for high-resolution cryo-EM analysis. Here, we report the first structure of the complex between the reductase and oxidase, revealing how they interact in a minimal interface. Further, we determined the structural elements that discriminate between the pairing of a siroheme-containing oxidase with a diflavin reductase or a ferredoxin partner to channel the six electrons that reduce sulfite to sulfide. Significance Statement Sulfur is one of the essential building blocks of life. Sulfur exists in numerous redox states but only one can be incorporated into biomass – S 2- (sulfide). In Escherichia coli , a protein enzyme called sulfite reductase reduces sulfite by six electrons to make sulfide. Typical electron transfer reactions move one or two electrons at a time, so this chemistry is unique. To do so, E. coli uses a two protein complex with unique co-enzymes. To date, how the subunits interact so the co-enzymes can transfer electrons has remained a mystery because the complex is structurally dynamic, thus difficult to analyze with traditional methods. This study shows for the first time the structure of the enzyme complex that performs this unique chemistry.