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.

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.

Abstract Sample consumption for serial femtosecond crystallography (SFX) with X-ray free electron lasers (XFELs) remains a major limitation preventing broader use of this powerful technology in macromolecular crystallography. This drawback is exacerbated in the case of time-resolved (TR)-SFX experiments, where the amount of sample required per reaction time point is multiplied by the number of time points investigated. Thus, in order to reduce the limitation of sample consumption, here we demonstrate the implementation of segmented droplet generation in conjunction with a mix-and-inject approach for TR studies on NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1 (NQO1). We present the design and application of mix-and-inject segmented droplet injectors for the Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX) instrument at the European XFEL (EuXFEL) with a synchronized droplet injection approach that allows liquid phase protein crystal injection. We carried out TR-crystallography experiments with this approach for a 305 ms and a 1190 ms time point in the reaction of NQO1 with its coenzyme NADH. With this successful TR-SFX approach, up to 97% of the sample has been conserved compared to continuous crystal suspension injection with a gas dynamic virtual nozzle. Furthermore, the obtained structural information for the reaction of NQO1 with NADH is an important part of the future elucidation of the reaction mechanism of this crucial therapeutic enzyme.

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.

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