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 During their maturation, nascent 40S subunits enter a translation-like quality control cycle, where they are joined by mature 60S subunits to form 80S-like ribosomes. While these assembly intermediates are essential for maturation and quality control, how they form, and how their structure promotes quality control remains unknown. To address these questions, we determined the structure of an 80S-like ribosome assembly intermediate to an overall resolution of 3.4 Å. The structure, validated by biochemical data, resolves a large body of previously paradoxical data and illustrates how assembly and translation factors cooperate to promote the formation of an interface that lacks many mature subunit contacts but is stabilized by the universally conserved Dim1. We also show how Tsr1 enables this interface by blocking the canonical binding of eIF5B to 40S subunits, while maintaining its binding to 60S. The structure also shows how this interface leads to unfolding of the platform, which allows for temporal regulation of the ATPase Fap7, thus linking 40S maturation to quality-control during ribosome assembly.

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 During their maturation, nascent 40S subunits enter a translation-like quality control cycle, where they are joined by mature 60S subunits to form 80S-like ribosomes. While these assembly intermediates are essential for maturation and quality control, how they form, and how their structure promotes maturation and quality control remains unknown. To address these questions, we solved the structure of an 80S-like ribosome assembly intermediate to an overall resolution of 3.4 A. The structure, validated by biochemical data herein, resolves a large body of previously paradoxical data and illustrates how assembly and translation factors cooperate to promote the formation of an interface that lacks many mature subunit contacts but is stabilized by the universally conserved Dim1. The structure also shows how this interface leads to unfolding of the platform, which allows for temporal regulation of the ATPase Fap7 and the nuclease Nob1, thus linking quality-control and 40S maturation during ribosome assembly.

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.

Sulfite reductase (SiR), a dodecameric complex of flavoprotein reductase subunits (SiRFP) and hemoprotein oxidase subunits (SiRHP), reduces sulfur reduction for biomass incorporation. Electron transfer within SiR requires intra- and inter-subunit interactions that are mediated by the relative position of each protein, governed by flexible domain movements. Using small-angle neutron scattering, we report the first solution structures of SiR heterodimers containing a single copy of each subunit. These structures show how the subunits bind and how both subunit binding and oxidation state impact SiRFP's conformation. Neutron contrast matching experiments on selectively deuterated heterodimers allow us to define the contribution of each subunit to the solution scattering. SiRHP binding induces a change in the position of SiRFP's flavodoxin-like domain relative to its ferredoxin-NADP+ reductase domain while compacting SiRHP's N-terminus. Reduction of SiRFP leads to a more open structure relative to its oxidized state, re-positioning SiRFP's N-terminal flavodoxin-like domain towards the SiRHP binding position. These structures show, for the first time, how both SiRHP binding to, and reduction of, SiRFP positions SiRFP for electron transfer between the subunits.