Abstract RNA-peptide/protein interactions have been of utmost importance to life since its earliest forms, reaching even before the last universal common ancestor (LUCA). However, the ancient molecular mechanisms behind this key biological interaction remain enigmatic because extant RNA-protein interactions rely heavily on positively charged and aromatic amino acids that were absent (or heavily under-represented) in the early pre-LUCA evolutionary period. Here, an RNA-binding variant of the ribosomal L11 C-terminal domain was selected from a ∼10 10 library of partially randomized sequences, all composed of 10 prebiotically plausible canonical amino acids. The selected variant binds to the cognate RNA with a similar overall affinity although it is less structured in the unbound form than the wild-type protein domain. The variant complex association and dissociation are both slower than for the wild-type, implying different mechanistic processes involved. The profile of the wild-type and mutant complex stabilities along with MD simulations uncover qualitative differences in the interaction modes. In the absence of positively charged and aromatic residues, the mutant L11 domain uses bridging ion (K + /Mg 2 + ) interactions between the RNA sugar-phosphate backbone and glutamic acid residues as an alternative source of stabilization. This study presents experimental support to provide a new perspective on how early protein-RNA interactions evolved, where the lack of aromatic/basic residues was compensated by acidic residues plus metal ions.

Abstract Planetary exploration requires a balance between preemptive planning and financial feasibility. The risk of mid-mission equipment failure, power shortages, or supply depletion incentivizes precautionary measures, but the financial strain of sending unnecessary mass into space limits this practice. To balance the two, our team explored the advantages of biological solutions, namely the self-sustaining abilities of low-mass organisms, to make planetary exploration more self-sufficient and economical. Prioritizing repair over replacement, we are developing self-healing materials embedded with Bacillus subtilis . For longer-lasting energy, we are designing a “biobactery” using linearly oriented Escherichia coli to generate power. For renewable materials, we are engineering bacteria to synthesize and degrade rubber. Individually, these projects offer sustainable alternatives for repair, power, and materials. But when combined, these consolidated insights can provide us with the power to get to Mars and resources to sustain us while we’re there.

Abstract The ribosome, owing to its exceptional conservation and biological importance, harbours a remarkable molecular fossil known as the protoribosome. It surrounds the peptidyl transferase center (PTC), responsible for peptide bond formation. While previous studies have demonstrated the PTC activity in RNA alone, our investigation reveals the intricate roles of the ribosomal protein fragments (rPeptides) within the ribosomal core. This research highlights the significance of rPeptides in stability and coacervation of two distinct protoribosomal evolutionary stages. The 617nt “big” protoribosome model which associates with rPeptides specifically, exhibits a structurally defined and rigid nature, further stabilised by the peptides. In contrast, the 136nt “small” model, previously linked to peptidyltransferase activity, displays greater structural flexibility. While this construct interacts with rPeptides with lower specificity, they induce coacervation of the “small” protoribosome across a wide concentration range, which is concomitantly dependent on the RNA sequence and structure. Moreover, these conditions protect RNA from degradation. This phenomenon suggests a significant evolutionary advantage in the RNA-protein interaction at the early stages of ribosome evolution. The distinct properties of the two protoribosomal stages suggest that rPeptides initially provided compartmentalization and prevented RNA degradation, preceding the emergence of specific RNA-protein interactions crucial for the ribosomal structural integrity. 3 keypoints - The most ancient fragments of ribosomal peptides trigger coacervation of protoribosome - The protoribosome coacervation provides protection against RNA degradation - Coacervation is more profound with a smaller and more flexible model of the protoribosome

Abstract Natural proteins represent numerous but tiny structure/function islands in a vast ocean of possible protein sequences, most of which has not been explored by either biological evolution or research. Recent studies have suggested this uncharted sequence space possesses surprisingly high structural propensity, but development of an understanding of this phenomenon has been awaiting a systematic high-throughput approach. Here, we designed, prepared, and characterized two combinatorial protein libraries consisting of randomized proteins, each 105 residues in length. The first library constructed proteins from the entire canonical alphabet of 20 amino acids. The second library used a subset of only 10 residues (A,S,D,G,L,I,P,T,E,V) that represent a consensus view of plausibly available amino acids through prebiotic chemistry. Our study shows that compact conformations resistant to proteolysis are (i) abundant (up to 40%) in random sequence space, (ii) independent of general Hsp70 chaperone system activity, and (iii) not granted solely by “late” and complex amino acid additions. The Hsp70 chaperone system effectively increases solubility and refoldability of the canonical alphabet but has only a minor impact on the “early” library. The early alphabet proteins are inherently more soluble and refoldable, possibly assisted by the cell-like environment in which these assays were performed. Our work indicates that both early and modern amino acids are predisposed to supporting protein structure (either in forms of oligomers or globular/molten globule structures) and that protein structure may not be a unique outcome of evolution.

Abstract Tubulins are critical for the internal organization of eukaryotic cells, and understanding their emergence is an important question in eukaryogenesis. Asgard archaea are the closest known prokaryotic relatives to eukaryotes. Here, we elucidated the apo and nucleotide-bound X-ray structures of an Asgard tubulin from hydrothermal-living Odinarchaeota (OdinTubulin). The GTP-bound structure resembles a microtubule protofilament, with GTP bound between subunits, coordinating the “+” end subunit through a network of water molecules and unexpectedly by two cations. A water molecule is located suitable for GTP hydrolysis. Time course crystallography and electron microscopy revealed conformational changes on GTP hydrolysis. OdinTubulin forms tubules at high temperatures, with short curved protofilaments coiling around the tubule circumference, more similar to FtsZ, rather than running parallel to its length, as in microtubules. Thus, OdinTubulin represents an evolution intermediate between prokaryotic FtsZ and eukaryotic microtubule-forming tubulins.

The CRISPR/Cas9 system has revolutionized genome editing by providing unprecedented DNA-targeting specificity. Here we demonstrate that this system can be applied to facilitate efficient plasmid selection for transformation as well as selective gene insertion into plasmid vectors by cleaving unwanted plasmid byproducts after restriction enzyme digestion and ligation. Using fluorescent and chromogenic proteins as reporters, we demonstrate that CRISPR/Cas9 cleavage excludes unwanted ligation byproducts and increases transformation efficiency of desired inserts from 20% up to 97% ± 3%. This CRISPR/Cas9-Assisted Transformation-Efficient Reaction (CRATER) protocol is a novel, inexpensive, and convenient method for obtaining specific cloning products.

ABSTRACT Whereas modern proteins rely on a quasi-universal repertoire of 20 canonical amino acids (AAs), numerous lines of evidence suggest that ancient proteins relied on a limited alphabet of 10 ‘early’ AAs, and that the 10 ‘late’ AAs were products of biosynthetic pathways. However, many non-proteinogenic AAs were also prebiotically available, which begs two fundamental questions: Why do we have the current modern amino acid alphabet, and Would proteins be able to fold into globular structures as well if different amino acids comprised the genetic code? Here, we experimentally evaluated the solubility and secondary structure propensities of several prebiotically relevant amino acids in the context of synthetic combinatorial 25-mer peptide libraries. The most prebiotically abundant linear aliphatic and basic residues were incorporated along with or in place of other early amino acids to explore these alternative sequence spaces. We show that foldability was a critical factor in the selection of the canonical alphabet. Unbranched aliphatic and short-chain basic amino acids were purged from the proteinogenic alphabet despite their high prebiotic abundance because they generate polypeptides that are over-solubilized and have low packing efficiency. Surprisingly, we find that the inclusion of a short-chain basic amino acid also decreases polypeptides’ secondary structure potential. Our results support the view that despite lacking basic residues, the early canonical alphabet was remarkably adaptive at supporting protein folding and explain why basic residues were only incorporated at a later stage of the alphabet evolution.

Summary Abstract Figure Graphical abstract Phosphate, an essential component of life, fertilizers, and detergents, is a finite resource that could be depleted within 70 years, while improper phosphate waste disposal in aquatic environments results in eutrophication. Despite some chemical-based methods, biological phosphorus removal using polyphosphate-accumulating organisms, such as microalgae, serves as a sustainable alternative to reclaim phosphate from wastewater. Polyphosphates have profound biological functions and biomedical applications, serving as energy stock, coagulation factors, and antiviral agents depending on their length, showing inherent value in polyphosphate recovery. Here, we leveraged the power of thermodynamic coupling and phase transitions to establish a one-pot, two-step multi-enzyme cascade to convert polydisperse polyphosphate in microalgae biomass into high-molecular-weight insoluble long-chain polyphosphates, allowing for one-step purification. We then optimzed a thermo-digestion approach to transform the 1,300-mers into shorter polyphosphates. Altogether, the processes established here enable the establishment of a sustainable P bioeconomy platform to refine microalgal biomass for biotechnological uses.