Abstract Nature has evolved diverse electron transport proteins and multiprotein assemblies essential to the generation and transduction of biological energy. However, substantially modifying or adapting these proteins for user‐defined applications or to gain fundamental mechanistic insight can be hindered by their inherent complexity. De novo protein design offers an attractive route to stripping away this confounding complexity, enabling us to probe the fundamental workings of these bioenergetic proteins and systems, while providing robust, modular platforms for constructing completely artificial electron‐conducting circuitry. Here, we use a set of de novo designed mono‐heme and di‐heme soluble and membrane proteins to delineate the contributions of electrostatic micro‐environments and dielectric properties of the surrounding protein medium on the inter‐heme redox cooperativity that we have previously reported. Experimentally, we find that the two heme sites in both the water‐soluble and membrane constructs have broadly equivalent redox potentials in isolation, in agreement with Poisson‐Boltzmann Continuum Electrostatics calculations. BioDC, a Python program for the estimation of electron transfer energetics and kinetics within multiheme cytochromes, also predicts equivalent heme sites, and reports that burial within the low dielectric environment of the membrane strengthens heme‐heme electrostatic coupling. We conclude that redox cooperativity in our diheme cytochromes is largely driven by heme electrostatic coupling and confirm that this effect is greatly strengthened by burial in the membrane. These results demonstrate that while our de novo proteins present minimalist, new‐to‐nature constructs, they enable the dissection and microscopic examination of processes fundamental to the function of vital, yet complex, bioenergetic assemblies.

Abstract Nature has evolved diverse electron transport proteins and multiprotein assemblies essential to the generation and transduction of biological energy. However, substantially modifying or adapting these proteins for user-defined applications or to gain fundamental mechanistic insight can be hindered by their inherent complexity. De novo protein design offers an attractive route to stripping away this confounding complexity, enabling us to probe the fundamental workings of these bioenergetic proteins and systems, while providing robust, modular platforms for constructing completely artificial electron-conducting circuitry. Here, we use a set of de novo designed mono-heme and di-heme soluble and membrane proteins to unpick the contributions of electrostatic micro-environments and dielectric properties of the surrounding protein medium on the inter-heme redox cooperativity that we have previously reported. Experimentally, we find that the two heme sites in both the water-soluble and membrane constructs have broadly equivalent redox potentials in isolation, in agreement with Poisson-Boltzmann Continuum Electrostatics calculations. BioDC, a Python program for the estimation of electron transfer energetics and kinetics within multiheme cytochromes, also predicts equivalent heme sites, and reports that burial within the low dielectric environment of the membrane strengthens heme-heme electrostatic coupling. We conclude that redox cooperativity in our diheme cytochromes is largely driven by heme electrostatic coupling and confirm that this effect is greatly strengthened by burial in the membrane. These results demonstrate that while our de novo proteins present minimalist, new-to-nature constructs, they enable the dissection and microscopic examination of processes fundamental to the function of vital, yet complex, bioenergetic assemblies.

Abstract The design and assembly of peptide based materials has advanced considerably, leading to a variety of fibrous, sheet and nanoparticle structures. A remaining challenge is to account for and control different possible supramolecular outcomes accessible to the same or similar peptide building blocks. Here we present a de novo peptide system that forms nanoparticles or sheets depending on the strategic placement of a ‘disulfide pin’ between two elements of secondary structure that drive self-assembly. Specifically, we join homodimerizing and homotrimerizing de novo coiled-coil α-helices with a flexible linker to generate a series of linear peptides. The helices are pinned back-to-back, constraining them as hairpins by a disulfide bond placed either proximal or distal to the linker. Computational modeling and advanced microscopy show that the proximally pinned hairpins self-assemble into nanoparticles, whereas the distally pinned constructs form sheets. These peptides can be made synthetically or recombinantly to allow both chemical modifications and the introduction of whole protein cargoes as required.