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 new European X-ray Free-Electron Laser is the first X-ray free-electron laser capable of delivering X-ray pulses with a megahertz inter-pulse spacing, more than four orders of magnitude higher than previously possible. However, to date, it has been unclear whether it would indeed be possible to measure high-quality diffraction data at megahertz pulse repetition rates. Here, we show that high-quality structures can indeed be obtained using currently available operating conditions at the European XFEL. We present two complete data sets, one from the well-known model system lysozyme and the other from a so far unknown complex of a β-lactamase from K. pneumoniae involved in antibiotic resistance. This result opens up megahertz serial femtosecond crystallography (SFX) as a tool for reliable structure determination, substrate screening and the efficient measurement of the evolution and dynamics of molecular structures using megahertz repetition rate pulses available at this new class of X-ray laser source.

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 Tpp49Aa1 from Lysinibacillus sphaericus is a Toxin_10 family protein that – in combination with Cry48Aa1, a 3-domain crystal protein - has potent mosquitocidal activity, specifically against Culex quinquefasciatus mosquitoes. MHz serial femtosecond crystallography at a nano-focused X-ray free electron laser, allowed rapid and high-quality data collection to determine the Tpp49Aa1 structure at 1.62 Å resolution from native nanocrystals. This revealed the packing of Tpp49Aa1 within these nanocrystals, isolated from sporulated bacteria, as a homodimer with a large intermolecular interface, shedding light on natural crystallization. Complementary experiments conducted at varied pH also enabled investigations of the early structural events leading up to the dissolution of natural Tpp49Aa1 crystals. Using modelling, we propose a potential interaction between Tpp49Aa1 and Cry48Aa1 that may play a role in their codependency and broaden our understanding of this two-component system. We expand the known target range, demonstrating Tpp49Aa1/Cry48Aa1 susceptibility of larvae from Anopheles stephensi, Aedes albopictus and Culex tarsalis – substantially increasing the potential use of this toxin pair in mosquito control. Further functional insights are gained using Culex cell lines to characterise cellular models for future investigations into Cry48Aa1/Tpp49Aa1 mechanism of action and to demonstrate transient detrimental effects of individual toxin components. Significance Statement The Tpp49Aa1/Cry48Aa1 protein pair kills mosquito larvae. Innovative use of nano-focused X-ray free electron laser to match the size of natural Tpp49Aa1 nanocrystals and the highest beam intensity available in any XFEL for high-throughput data collection, allowed structural resolution to 1.62 Å. Tpp proteins show a range of interactions with different partners to elicit toxicity. To gain insight into Tpp49Aa1, its interaction with Cry48Aa1 was modelled. We also establish cell-based assays of Tpp49Aa1/Cry48Aa1 activity. We expand the known target range to include three more mosquito species: Anopheles stephensi, Aedes albopictus and Culex tarsalis . This study will underpin future Tpp mode of action investigations and aid insecticide optimization against mosquito vectors of emerging diseases such as West Nile Virus and malaria.

The "green synthesis" of nanoparticles (NPs) offers cost-effective and environmentally friendly advantages over chemical synthesis by utilizing biological sources such as bacteria, algae, fungi, or plants. In this context, cyanobacteria and their components are valuable sources to produce various NPs. The present study describes the comparative analysis of physicochemical and antibacterial properties of chemically synthesized (Chem-AgNPs) and cyanobacteria Spirulina platensis-derived silver NPs (Splat-AgNPs). The physicochemical characterization applying complementary dynamic light scattering and transmission electron microscopy revealed that Splat-AgNPs have an average hydrodynamic radius of ∼ 28.70 nm and spherical morphology, whereas Chem-AgNPs are irregular-shaped with an average radius size of ∼ 53.88 nm. The X-ray diffraction pattern of Splat-AgNPs confirms the formation of face-centered cubic crystalline AgNPs by "green synthesis". Energy-dispersive spectroscopy analysis demonstrated the purity of the Splat-AgNPs. Fourier transform infrared spectroscopy analysis of Splat-AgNPs demonstrated the involvement of some functional groups in the formation of NPs. Additionally, Splat-AgNPs demonstrated high colloidal stability with a zeta-potential value of (−50.0 ± 8.30) mV and a pronounced bactericidal activity against selected Gram-positive (Enterococcus hirae and Staphylococcus aureus) and Gram-negative (Pseudomonas aeruginosa and Salmonella typhimurium) bacteria compared with Chem-AgNPs. Furthermore, our studies toward understanding the action mechanism of NPs showed that Splat-AgNPs alter the permeability of bacterial membranes and the energy-dependent H+-fluxes via FoF1-ATPase, thus playing a crucial role in bacterial energetics. The insights gained from this study show that Spirulina-derived synthesis is a low-cost, simple approach to producing stable AgNPs for their energy-metabolism-targeted antibacterial applications in biotechnology and biomedicine.

Coronaviruses infect many different species including humans. The last two decades have seen three zoonotic coronaviruses with SARS-CoV-2 causing a pandemic in 2020. Coronaviral non-structural proteins (nsp) built up the replication-transcription complex (RTC). Nsp7 and nsp8 interact with and regulate the RNA-dependent RNA-polymerase and other enzymes in the RTC. However, the structural plasticity of nsp7+8 complex has been under debate. Here, we present the framework of nsp7+8 complex stoichiometry and topology based on a native mass spectrometry and complementary biophysical techniques of nsp7+8 complexes from seven coronaviruses in the genera Alpha- and Betacoronavirus including SARS-CoV-2. Their complexes cluster into three groups, which systematically form either heterotrimers or heterotetramers or both, exhibiting distinct topologies. Moreover, even at high protein concentrations mainly heterotetramers are observed for SARS-CoV-2 nsp7+8. From these results, the different assembly paths can be pinpointed to specific residues and an assembly model is proposed.

Abstract The understanding of signal transduction mechanisms in photoreceptor proteins is essential for elucidating how living organisms respond to light as environmental stimuli. In this study, we investigated the ATP binding, photoactivation and signal transduction process in the photoactivatable adenylate cyclase from Oscillatoria acuminata (OaPAC) upon blue light excitation. Structural models with ATP bound in the active site of native OaPAC at cryogenic as well as room temperature are presented. ATP is found in one conformation at cryogenic- and in two conformations at ambient-temperature, and is bound in a non-productive conformation. However, FTIR spectroscopic experiments confirm that the non-productive conformation is the native binding mode in dark state OaPAC and that transition to a productive conformation for ATP turnover only occurs after light activation. A combination of time-resolved crystallography experiments at synchrotron and X-ray Free Electron Lasers sheds light on the initial events around the Flavin Adenine Dinucleotide (FAD) chromophore in the light-sensitive BLUF domain of OaPAC. Initial changes involve the highly conserved amino acids Tyr6, Gln48 and Met92. Crucially, the Gln48 side chain performs a 180° rotation during activation, leading to the stabilization of the FAD chromophore. Cryo-trapping experiments allowed us to investigate a late light-activated state of the reaction and revealed significant conformational changes in the BLUF domain around the FAD chromophore. In particular, a Trp in /Met out transition upon illumination is observed for the first time in the BLUF domain and its role in signal transmission via α-helix 3 and 4 in the linker region between sensor and effector domain is discussed.

Abstract Cry11Aa and Cry11Ba are the two most potent toxins produced by mosquitocidal Bacillus thuringiensis subsp. israelensis and jegathesan , respectively. The toxins naturally crystallize within the host; however, the crystals are too small for structure determination at synchrotron sources. Therefore, we applied serial femtosecond crystallography at X-ray free electron lasers to in vivo -grown nanocrystals of these toxins. The structure of Cry11Aa was determined de novo using the single-wavelength anomalous dispersion method, which in turn enabled the determination of the Cry11Ba structure by molecular replacement. The two structures reveal a new pattern for in vivo crystallization of Cry toxins, whereby each of their three domains packs with a symmetrically identical domain, and a cleavable crystal packing motif is located within the protoxin rather than at the termini. The diversity of in vivo crystallization patterns suggests explanations for their varied levels of toxicity and rational approaches to improve these toxins for mosquito control.