Abstract The widely used coelenterazine-powered Renilla luciferase was discovered over 40 years ago but the oxidative mechanism by which it generates blue photons remains unclear. Here we decipher Renilla -type bioluminescence through crystallographic, spectroscopic, and computational experiments. Structures of ancestral and extant luciferases complexed with the substrate-like analogue azacoelenterazine or a reaction product were obtained, providing unprecedented snapshots of coelenterazine-to-coelenteramide oxidation. Bound coelenterazine adopts a Y-shaped conformation, enabling the deprotonated imidazopyrazinone component to attack O 2 via a radical charge-transfer mechanism. A high emission intensity is secured by an aspartate from a conserved proton-relay system, which protonates the excited coelenteramide product. Another aspartate on the rim of the catalytic pocket fine-tunes the electronic state of coelenteramide and promotes the formation of the blue light-emitting phenolate anion. The results obtained also reveal structural features distinguishing flash-type from glow-type bioluminescence, providing insights that will guide the engineering of next-generation luciferase–luciferin pairs for ultrasensitive optical bioassays.

Abstract Protein aggregation is a hallmark of multiple neurodegenerative diseases and a great hindrance in recombinant protein production, handling, and storage. Identification of aggregation prone residues or regions (APRs) in proteins and their suppression by mutations is a powerful and straightforward strategy for improving protein solubility and yield, which significantly increases their application potential. Towards this, we developed a deep neural network based predictor that generates residue level aggregation profile for one or several input protein sequences. The model was trained on a set of hexapeptides with experimentally characterised aggregation propensities and validated on two independent sets of data including hexapeptides and full-length proteins with annotated APRs. In both cases, the model matched, or outperformed the state-of-the-art algorithms. Its performance was further verified using a set of 34 hexapeptides identified in model haloalkane dehalogenase LinB and seven proteins from AmyPro database. The experimental data from Thioflavin T fluorescence and transmission electron microscopy matched the predictions in 79% of the cases, and revealed inaccuracies in the database annotations. Finally, the utility of the algorithm was demonstrated by identifying APRs in a model enzyme (LinB) and designing aggregation-suppressing mutations in the exposed regions. The designed variants showed reduced aggregation propensity, increased solubility and improved yield, with up to a 100% enhancement compared to the wild type for the best one.

Abstract NanoLuc, a superior β-barrel fold luciferase, was engineered 10 years ago but the nature of its catalysis remains puzzling. Here experimental and computational techniques were combined, revealing that imidazopyrazinone luciferins bind to an intra-barrel catalytic site but also to an allosteric site shaped on the enzyme surface. Structurally, binding to the allosteric site prevents simultaneous binding to the catalytic site, and vice versa , through concerted conformational changes. We demonstrate that restructuration of the allosteric site can boost the luminescent reaction in the remote active site. Mechanistically, an intra-barrel arginine coordinates the imidazopyrazinone component of luciferin, which reacts with O 2 via a radical charge-transfer mechanism, and then it also protonates the resulting excited amide product to form a light-emitting neutral species. Concomitantly, an aspartate, supported by two tyrosines, fine-tunes the blue color emitter to secure a high emission intensity. This information is critical to engineering the next-generation of ultrasensitive bioluminescent reporters.

Abstract Background Apolipoprotein E (ApoE) ε4 genotype is the most prevalent risk factor for late-onset Alzheimer’s Disease (AD). Although ApoE4 differs from its non-pathological ApoE3 isoform only by the C112R mutation, the molecular mechanism of its proteinopathy is unknown. Methods Here, we reveal the molecular mechanism of ApoE4 aggregation using a combination of experimental and computational techniques, including X-ray crystallography, site-directed mutagenesis, hydrogen-deuterium mass spectrometry (HDX-MS), static light scattering and molecular dynamics simulations. Treatment of ApoE ε3/ε3 and ε4/ε4 cerebral organoids with tramiprosate was used to compare the effect of tramiprosate on ApoE4 aggregation at the cellular level. Results We found that C112R substitution in ApoE4 induces long-distance (>15 Å) conformational changes leading to the formation of a V-shaped dimeric unit that is geometrically different and more aggregation-prone than the ApoE3 structure. AD drug candidate tramiprosate and its metabolite 3-sulfopropanoic acid induce ApoE3-like conformational behavior in ApoE4 and reduce its aggregation propensity. Analysis of ApoE ε4/ε4 cerebral organoids treated with tramiprosate revealed its effect on cholesteryl esters, the storage products of excess cholesterol. Conclusions Our results connect the ApoE4 structure with its aggregation propensity, providing a new druggable target for neurodegeneration and ageing.

This article explores the role of the circular economy in achieving sustainability in the construction industry, with a focus on cost reduction. Sustainable building practices are vital for addressing environmental concerns, and the circular economy offers transformative solutions. By emphasizing reuse, recycling, and responsible resource management, the circular economy reshapes traditional construction approaches. The paper examines how adopting circular economy principles can significantly reduce costs throughout a building's life cycle. It discusses case studies and successful implementations, showcasing innovative strategies to minimize waste and optimize resource use. Topics include integrating circular economy practices in design and construction, the economic benefits of material reuse and recycling, and the long-term financial advantages of sustainable building. The article highlights the importance of stakeholder collaboration, policy frameworks, and technological innovations in driving circular economy adoption. By demonstrating the economic benefits of sustainable building through the circular economy, this article aims to promote environmentally conscious construction practices and inspire stakeholders to embrace cost-effective and sustainable solutions for a greener future.

Abstract Bioluminescence is the production of visible light by living organisms. This process occurs biochemically through the primary oxidation of specific luciferin substrates, facilitated by enzymes known as luciferases. Moreover, the bioluminescent reaction often involves additional elements like auxiliary proteins or cofactors. Auxiliary proteins, such as fluorescent proteins and coelenterazine-binding proteins, for example, may serve various roles, such as altering the wavelength of the emitted light-or stabilizing the highly reactive and unstable luciferin, respectively. Calcium has been demonstrated to serve as an essential ion in luminescence processes across various species. Despite the existence of numerous bioluminescent species, only a fraction of bioluminescent systems and their associated molecular actors have been thoroughly studied. Within anthozoans, the bioluminescence system of the Renilla genus stands out as the sole extensively characterized system, involving a coelenterazine-dependent luciferase, a calcium-dependent coelenterazine-binding protein, and a green fluorescent protein. Through a multidisciplinary approach, we investigated the bioluminescent system of three sea pen species: Pennatula phosphorea, Funiculina quadrangularis , and Anthoptilum murrayi (Pennatuloidea, Anthozoa, Cnidaria). We first confirmed or characterized the emission spectra of these species, elucidated the coelenterazine-based reaction, and generated reference transcriptomes for the two first species. Our transcriptomic analysis revealed transcripts encoding luciferases, fluorescent proteins, and coelenterazine-binding proteins, also shedding light on their expression profiles. Immunodetection confirmed the presence of luciferase in P. phosphorea and F. quadrangularis , while autofluorescence patterns attributed to green fluorescent protein or the coelenterazine were observed in P. phosphorea . Furthermore, a recombinant luciferase was expressed for A. murrayi . Our findings also underscore the essential role of calcium ions in bioluminescence, possibly associated with the mechanism of coelenterazine binding and substrate release. Finally, we propose a mechanistic model of bioluminescence in anthozoans, laying the groundwork for further functional characterization and ecological exploration of these sessile and benthic luminous organisms.

Abstract Objective Although the link between microbial infections and Alzheimer’s disease (AD) has been demonstrated in multiple studies, the involvement of pathogens in the development of AD remains unclear. Therefore, this theory beckons further systematic investigation. In this study, we have examined the association between the 10 most widely discussed viral and bacterial pathogens found in serum and cerebrospinal fluid (CSF) from patients with AD. Methods We have used an in-house developed multiplex PCR kit for simultaneous detection of five bacterial and five viral pathogens in serum and CSF from 50 AD patients and 53 healthy controls. Data analysis was performed with multiple statistical methods: Fisher’s exact test, chisquare goodness of fit test, and one-sample proportion test. Results We observed an increased frequency of AD patients tested positive for Treponema spp. (AD: 62.2%; CTRL: 30.3%; p -value = 0.007). Furthermore, we confirmed a significantly higher prevalence of cases with two and more simultaneous infections in AD patients compared to controls (AD: 24%; CTRL 7.5%; p -value = 0.029). The studied pathogens were widespread equally in serum and CSF. Borrelia burgdorferi , human herpesvirus 7, and human cytomegalovirus were not detected in any of the studied samples. Discussion An increased prevalence of Treponema spp. and double-species infections in AD patients compared to the healthy controls provides further evidence of the association between microbial infections and AD. Paralleled analysis of multiple sample specimens provides complementary information and is advisable for future studies.