Copper nitrite reductases (CuNiRs) exhibit a strong pH dependence of their catalytic activity. Structural movies can be obtained by serially recording multiple structures (frames) from the same spot of a crystal using the MSOX serial crystallography approach. This method has been combined with on-line single crystal optical spectroscopy to capture the pH-dependent structural changes that accompany during turnover of CuNiRs from two Rhizobia species. The structural movies, initiated by the redox activation of a type-1 copper site (T1Cu) via X-ray generated photoelectrons, have been obtained for the substrate-free and substrate-bound states at low (high enzymatic activity) and high (low enzymatic activity) pH. At low pH, formation of the product nitric oxide (NO) is complete at the catalytic type-2 copper site (T2Cu) after a dose of 3 MGy (frame 5) with full bleaching of the T1Cu ligand-to-metal charge transfer (LMCT) 455 nm band (S(σ)Cys → T1Cu2+) which in itself indicates the electronic route of proton-coupled electron transfer (PCET) from T1Cu to T2Cu. In contrast at high pH, the changes in optical spectra are relatively small and the formation of NO is only observed in later frames (frame 15 in Br2DNiR, 10 MGy), consistent with the loss of PCET required for catalysis. This is accompanied by decarboxylation of the catalytic AspCAT residue, with CO2 trapped in the catalytic pocket.

The rapid preparation of homogeneous suspensions of micro- or nanocrystals is a crucial step in serial crystallography. We show how additives, such as the crystallophore (TbXo4) that acts as a molecular glue by promoting protein–protein interactions, can facilitate sample preparation for both serial synchrotron crystallography (SSX) and micro electron diffraction (3D ED). This lanthanide complex was used here for its nucleating properties to crystallize the hen egg-white lysozyme. SAXS monitoring indicates that crystals grew in a few minutes under low salt conditions, which would not lead to spontaneous nucleation in the absence of TbXo4. Resulting micro- and nanocrystals were successfully used to determine the structure of the lysozyme-TbXo4 complex by SSX and 3D ED, illustrating the diffraction quality of the produced crystals and the usefulness of such compounds in the sample preparation pipeline for serial crystallography.

ABSTRACT The rapid preparation of homogeneous suspensions of micro- or nano-crystals is a crucial step in serial crystallography. We show how additives, such as the crystallophore (TbXo4) that acts as a molecular glue by promoting protein-protein interactions, can facilitate sample preparation for both serial synchrotron crystallography (SSX) and micro electron diffraction (3D ED). This lanthanide complex was used here for its nucleating properties to crystallize hen egg white lysozyme. SAXS monitoring indicates that crystals formed in a few minutes in low salt conditions that would not lead to spontaneous nucleation. Resulting micro- and nano-crystals were successfully used to determine the structure of the lysozyme-TbXo4 complex by SSX and 3D ED, illustrating the diffraction quality of the produced crystals and the usefulness of such compounds in the sample preparation pipeline for serial crystallography.

ABSTRACT Microbial rhodopsins are omnipresent on Earth, however the vast majority of them remain uncharacterized. Here we describe a new rhodopsin group from cold-adapted organisms and cold environments, such as glaciers, denoted as CryoRhodopsins (CryoRs). Our data suggest that CryoRs have dual functionality switching between inward transmembrane proton translocation and photosensory activity, both of which can be modulated with UV light. CryoR1 exhibits two subpopulations in the ground state, which upon light activation lead to transient photocurrents of opposing polarities. A distinguishing feature of the group is the presence of a buried arginine residue close to the cytoplasmic face of its members. Combining single-particle cryo-electron microscopy and X-ray crystallography with the rhodopsin activation by light, we demonstrate that the arginine stabilizes a UV-absorbing intermediate of an extremely slow CryoRhodopsin photocycle. Together with extensive spectroscopic characterization, our investigations on CryoR1 and CryoR2 proteins reveal mechanisms of photoswitching in the newly identified group and demonstrate principles of the adaptation of these rhodopsins to low temperatures.

Abstract Serial macromolecular crystallography has become a powerful method to reveal room temperature structures of biological macromolecules and perform time-resolved studies. ID29, a flagship beamline of the ESRF 4th generation synchrotron, is the first synchrotron beamline in the world capable of delivering high brilliance microsecond X-ray pulses at high repetition rate for the structure determination of biological macromolecules at room temperature. The cardinal combination of microsecond exposure times, innovative beam characteristics and adaptable sample environment provides high quality complete data, even from an exceptionally small amount of crystalline material, enabling what we collectively term serial microsecond crystallography (SµX). After validating the use of different sample delivery methods with various model systems, we applied SµX to an integral membrane receptor, where only a few thousands diffraction images were sufficient to obtain a fully interpretable electron density map for the antagonist istradefylline-bound A 2A receptor conformation, providing access to the antagonist binding mode. SµX, as demonstrated at ID29, will quickly find its broad applicability at upcoming 4th generation synchrotron sources worldwide and opens a new frontier in time-resolved SµX.

The upgrade of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France to an Extremely Brilliant Source (EBS) is expected to enable time-resolved synchrotron serial crystallography (SSX) experiments with sub-millisecond time resolution. ID29 is a new beamline dedicated to SSX experiments at ESRF–EBS. Here, we report experiments emerging from the initial phase of user operation at ID29. We first used microcrystals of photoactive yellow protein as a model system to exploit the potential of microsecond pulses for SSX. Subsequently, we investigated microcrystals of cytochrome c nitrite reductase (ccNiR) with microsecond X-ray pulses. CcNiR is a decaheme protein that is ideal for the investigation of radiation damage at the various heme-iron sites. Finally, we performed a proof-of-concept subsecond time-resolved SSX experiment by photoactivating microcrystals of a myxobacterial phytochrome.