The engineering of transgenic crops resistant to the broad-spectrum herbicide glyphosate has greatly improved agricultural efficiency worldwide. Glyphosate-based herbicides, such as Roundup, target the shikimate pathway enzyme 5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate (EPSP) synthase, the functionality of which is absolutely required for the survival of plants. Roundup Ready plants carry the gene coding for a glyphosate-insensitive form of this enzyme, obtained from Agrobacterium sp. strain CP4. Once incorporated into the plant genome, the gene product, CP4 EPSP synthase, confers crop resistance to glyphosate. Although widely used, the molecular basis for this glyphosate-resistance has remained obscure. We generated a synthetic gene coding for CP4 EPSP synthase and characterized the enzyme using kinetics and crystallography. The CP4 enzyme has unexpected kinetic and structural properties that render it unique among the known EPSP synthases. Glyphosate binds to the CP4 EPSP synthase in a condensed, noninhibitory conformation. Glyphosate sensitivity can be restored through a single-site mutation in the active site (Ala-100–Gly), allowing glyphosate to bind in its extended, inhibitory conformation.

The coronavirus disease (COVID-19) caused by SARS-CoV-2 is creating tremendous human suffering. To date, no effective drug is available to directly treat the disease. In a search for a drug against COVID-19, we have performed a high-throughput x-ray crystallographic screen of two repurposing drug libraries against the SARS-CoV-2 main protease (M

Abstract The coronavirus disease (COVID-19) caused by SARS-CoV-2 is creating tremendous health problems and economical challenges for mankind. To date, no effective drug is available to directly treat the disease and prevent virus spreading. In a search for a drug against COVID-19, we have performed a massive X-ray crystallographic screen of two repurposing drug libraries against the SARS-CoV-2 main protease (M pro ), which is essential for the virus replication and, thus, a potent drug target. In contrast to commonly applied X-ray fragment screening experiments with molecules of low complexity, our screen tested already approved drugs and drugs in clinical trials. From the three-dimensional protein structures, we identified 37 compounds binding to M pro . In subsequent cell-based viral reduction assays, one peptidomimetic and five non-peptidic compounds showed antiviral activity at non-toxic concentrations. We identified two allosteric binding sites representing attractive targets for drug development against SARS-CoV-2.

Abstract Here we present the crystal structure of SARS-CoV-2 main protease (M pro ) covalently bound to 2-methyl-1-tetralone. This complex was obtained by co-crystallization of M pro with HEAT (2-(((4-hydroxyphenethyl)amino)methyl)-3,4-dihydronaphthalen-1(2H)-one) in the framework of a large X-ray crystallographic screening project of M pro against a drug repurposing library, consisting of 5632 approved drugs or compounds in clinical phase trials. Further investigations showed that HEAT is cleaved by M pro in an E1cB-like reaction mechanism into 2-methylene-1-tetralone and tyramine. The catalytic Cys145 subsequently binds covalently in a Michael addition to the methylene carbon atom of 2-methylene-1-tetralone. According to this postulated model HEAT is acting in a pro-drug-like fashion. It is metabolized by M pro , followed by covalent binding of one metabolite to the active site. The structure of the covalent adduct elucidated in this study opens up a new path for developing non-peptidic inhibitors.

Abstract SARS-CoV-2 papain-like protease (PLpro) covers multiple functions. Beside the cysteine-protease activity, PLpro has the additional and vital function of removing ubiquitin and ISG15 (Interferon-stimulated gene 15) from host-cell proteins to aid coronaviruses in evading the host’s innate immune responses. We established a high-throughput X-ray screening to identify inhibitors by elucidating the native PLpro structure refined to 1.42 Å and performing co-crystallization utilizing a diverse library of selected natural compounds. We identified three phenolic compounds as potential inhibitors. Crystal structures of PLpro inhibitor complexes, obtained to resolutions between 1.7-1.9 Å, show that all three compounds bind at the ISG15/Ub-S2 allosteric binding site, preventing the essential ISG15-PLpro molecular interactions. All compounds demonstrate clear inhibition in a deISGylation assay, two exhibit distinct antiviral activity and one inhibited a cytopathic effect in a non-cytotoxic concentration range. These results highlight the druggability of the rarely explored ISG15/Ub-S2 PLpro allosteric binding site to identify new and effective antiviral compounds. Importantly, in the context of increasing PLpro mutations in the evolving new variants of SARS-CoV-2, the natural compounds we identified may also reinstate the antiviral immune response processes of the host that are down-regulated in COVID-19 infections.

Abstract Time-resolved crystallography enabled the visualization of protein molecular motion during reaction. While light is commonly used to initiate reactions in time-resolved crystallography, only a small number of proteins can in fact be activated by light. However, many biological reactions can be triggered by the interaction of proteins with ligands. The sample delivery method presented here uses a mix-and-extrude approach based on 3D printed microchannels in conjunction with a micronozzle to study the dynamics of samples in viscous media that can be triggered by diffusive mixing. The device design allows for mixing of ligands and protein crystals in a time window of 2 to 20 seconds. The device characterization using a model system (fluorescence quenching of iq-mEmerald proteins by copper ions) demonstrated that ligand and protein crystals, each within the lipidic cubic phase, can be mixed efficiently. The potential use of this approach for time-resolved membrane protein crystallography to support in the development of new drugs is also discussed. Synopsis 3D printed mixing-HVE devices address time-resolved membrane protein crystallography challenges via compact dual-flow LCP injection. Abstract Figure

Abstract The Dictyostelium discoideum dye-decolorizing peroxidase ( Dd DyP) is a newly discovered peroxidase, which belongs to a unique class of heme peroxidase family that lacks homology to the known members of plant peroxidase superfamily. Dd DyP catalyzes the H 2 O 2 -dependent oxidation of a wide-spectrum of substrates ranging from polycyclic dyes to lignin biomass, holding promise for potential industrial and biotechnological applications. To study the molecular mechanism of Dd DyP, highly pure and functional protein with a natively incorporated heme is required, however, obtaining a functional DyP-type peroxidase with a natively bound heme is challenging and often requires addition of expensive biosynthesis precursors. Alternatively, a heme in vitro reconstitution approach followed by a chromatographic purification step to remove the excess heme is often used. Here, we show that expressing the Dd DyP peroxidase in 2×YT enriched medium at low temperature (20 °C), without adding heme supplement or biosynthetic precursors, allows for a correct native incorporation of heme into the apo-protein, giving rise to a stable protein with a strong Soret peak at 402 nm. Further, we crystallized and determined the native structure of Dd DyP at a resolution of 1.95 Å, which verifies the correct heme binding and its geometry. The structural analysis also reveals a binding of two water molecules at the distal site of heme plane bridging the catalytic residues (Arg239 and Asp149) of the GXXDG motif to the heme-Fe(III) via hydrogen bonds. Our results provide new insights into the geometry of native Dd DyP active site and its implication on DyP catalysis.

OaPAC is a recently discovered blue-light using flavin adenosine dinucleotide (BLUF) photoactivated adenylate cyclase from the cyanobacterium Oscillatoria acuminata that uses adenosine triphosphate and translates the light signal into the production of cyclic adenosine monophosphate. Here, we report the crystal structures of the enzyme in the absence of its natural substrate determined from room temperature serial crystallography data collected at both an X-ray free electron laser and a synchrotron and we compare them with the cryo macromolecular crystallography structures obtained at a synchrotron by us and others. These results reveal slight differences in the structure of the enzyme due to data collection at different temperatures and X-ray sources. We further investigate the effect of the Y6 mutation in the blue-light using flavin adenosine dinucleotide domain, a mutation which results in a rearrangement of the hydrogen-bond network around the flavin and a notable rotation of the side-chain of the critical Q48 residue. These studies pave the way for ps - ms time-resolved serial crystallography experiments at X-ray free electron lasers and synchrotrons in order to determine the early structural intermediates and correlate them with the well-studied ps - ms spectroscopic intermediates.

Plasmodium actins form very short filaments and have a non-canonical link between ATP hydrolysis and polymerization. Long filaments are detrimental to the parasites, but the structural factors constraining Plasmodium microfilament lengths are currently unknown. Using high-resolution crystallography, we show that magnesium binding activates the Plasmodium actin I monomer before polymerization by a slight flattening, which is reversed upon phosphate release. A coordinated potassium ion resides in the active site during hydrolysis and leaves together with the phosphate, a process governed by the position of the Arg178/Asp180-containing A-loop. Asp180 interacts with either Lys270 or His74, depending on protonation, while Arg178 links the inner and outer domains. Hence, the A-loop is a switch between stable and non-stable filament conformations. Our data provide a comprehensive model for polymerization, phosphate release, and the inherent instability of parasite microfilaments.

Compact myelin forms the basis of nerve insulation essential for higher vertebrates. Dozens of myelin membrane bilayers undergo tight stacking, and in the peripheral nervous system, this is partially enabled by myelin protein zero (P0). Consisting of an immunoglobulin (Ig)-like extracellular domain, a single transmembrane helix, and a cytoplasmic extension (P0ct), P0 harbours an important task in ensuring the integrity of compact myelin in the extracellular compartment, referred to as the intraperiod line. Several disease mutations resulting in peripheral neuropathies have been identified for P0, reflecting its physiological importance, but the arrangement of P0 within the myelin ultrastructure remains obscure. We performed a biophysical characterization of recombinant P0ct. P0ct contributes to the binding affinity between apposed cytoplasmic myelin membrane leaflets, which not only results in fluidity changes of the bilayers themselves, but also potentially involves the rearrangement of the Ig-like domains in a manner that stabilizes the intraperiod line. Transmission electron cryomicroscopy of native full-length P0 showed that P0 stacks lipid membranes by forming antiparallel dimers between the extracellular Ig-like domains. The zipper-like arrangement of the P0 extracellular domains between two membranes explains the double structure of the myelin intraperiod line. Our results contribute to the understanding of PNS myelin, the role of P0 therein, and the underlying molecular foundation of compact myelin stability in health and disease.