Snapshots of bacteriorhodopsin Bacteriorhodopsin is a membrane protein that harvests the energy content from light to transport protons out of the cell against a transmembrane potential. Nango et al. used timeresolved serial femtosecond crystallography at an x-ray free electron laser to provide 13 structural snapshots of the conformational changes that occur in the nanoseconds to milliseconds after photoactivation. These changes begin at the active site, propagate toward the extracellular side of the protein, and mediate internal protonation exchanges that achieve proton transport. Science , this issue p. 1552

Summary Understanding and controlling protein motion at atomic resolution is a hallmark challenge for structural biologists and protein engineers because conformational dynamics are essential for complex functions such as enzyme catalysis and allosteric regulation. Time-resolved crystallography offers a window into protein motions, yet without a universal perturbation to initiate conformational changes the method has been limited in scope. Here we couple a solvent-based temperature jump with time-resolved crystallography to visualize structural motions in lysozyme, a dynamic enzyme. We observed widespread atomic vibrations on the nanosecond timescale, which evolve on the sub-millisecond timescale into localized structural fluctuations that are coupled to the active site. An orthogonal perturbation to the enzyme, inhibitor binding, altered these dynamics by blocking key motions that allow energy to dissipate from vibrations into functional movements linked to the catalytic cycle. Because temperature-jump is a universal method for perturbing molecular motion, the method demonstrated here is broadly applicable for studying protein dynamics.

Abstract Vision is initiated by the rhodopsin family of light-sensitive G protein-coupled receptors (GPCRs). A photon is absorbed by the 11- cis retinal chromophore of rhodopsin which isomerises within 200 femtoseconds to the all- trans conformation, thereby initiating the cellular signal transduction processes that ultimately lead to vision. However, the intramolecular mechanism by which the photoactivated retinal induces the activation events inside rhodopsin remains elusive. In this work, we use ultrafast time-resolved crystallography at room temperature to determine how an isomerised twisted all-trans retinal stores the photon energy required to initiate protein conformational changes associated with the formation of the G protein-binding signalling state. The distorted retinal at 1 ps time-delay of photoactivation has pulled away from half of its numerous interactions with its binding pocket, and the excess of the photon energy is released through an anisotropic protein breathing motion in the direction of the extracellular space. Strikingly, the very early structural motions in the protein side chains of rhodopsin appear in regions involved in later stages of the conserved Class A GPCR activation mechanism. Our work sheds light on the earliest stages of vision in vertebrates and points to fundamental aspects of the molecular mechanisms of agonist-mediated GPCR activation.

Abstract Determining short-lived intermediate structures in chemical reactions is challenging. Although ultrafast spectroscopic methods can detect the formation of transient intermediates, real-space structures cannot be determined directly from such studies. Time-resolved serial femtosecond crystallography (TR-SFX) has recently proven to be a powerful method for capturing molecular changes in proteins on femtosecond timescales. However, the methodology has been mostly applied to natural proteins/enzymes and limited to reactions promoted by synthetic molecules due to structure determination challenges. This work demonstrates the applicability of TR-SFX for investigations of chemical reaction mechanisms of synthetic metal complexes. We fix a light-induced CO-releasing Mn(CO) 3 reaction center in porous hen egg white lysozyme (HEWL) microcrystals. By controlling light exposure and time, we capture the real-time formation of Mn-carbonyl intermediates during the CO release reaction. The asymmetric protein environment is found to influence the order of CO release. The experimentally-observed reaction path agrees with quantum mechanical calculations. Therefore, our demonstration offers a new approach to visualize atomic-level reactions of small molecules using TR-SFX with real-space structure determination. This advance holds the potential to facilitate design of artificial metalloenzymes with precise mechanisms, empowering design, control and development of innovative reactions.

Abstract Phytochromes are red/far-red light photoreceptors in bacteria to plants, which elicit a variety of important physiological responses. They display a reversible photocycle between the resting (dark) Pr state and the light activated Pfr state, in which light signals are received and transduced as structural change through the entire protein to modulate the activity of the protein. It is unknown how the Pr-to-Pfr interconversion occurs as the structure of intermediates remain notoriously elusive. Here, we present short-lived crystal structures of the classical phytochrome from myxobacterium Stigmatella aurantiaca captured by an X-ray Free Electron Laser 5 ns and 33ms after light illumination of the Pr state. We observe large structural displacements of the covalently bound bilin chromophore, which trigger a bifurcated signaling pathway. The snapshots show with atomic precision how the signal progresses from the chromophore towards the output domains, explaining how plants, bacteria and fungi sense red light.

Atomic resolution structures (beyond 1.20 Å) at ambient temperature, which is usually hampered by the radiation damage in synchrotron X-ray crystallography (SRX), will add to our understanding of the structure-function relationships of enzymes. Serial femtosecond crystallography (SFX) has attracted surging interest by providing a route to bypass such challenges. Yet the progress on atomic resolution analysis with SFX has been rather slow. In this report, we describe the 1.20 Å resolution structure of proteinase K using 13 keV photon energy. Hydrogen atoms, water molecules, and a number of alternative side-chain conformations have been resolved. The increase in the value of B-factor in SFX suggests that the residues and water molecules adjacent to active sites were flexible and exhibited dynamic motions at specific substrate-recognition sites.

Innovative new crystallographic methods are facilitating structural studies from ever smaller crystals of biological macromolecules. In particular, serial X-ray crystallography and microcrystal electron diffraction (MicroED) have emerged as useful methods for obtaining structural information from crystals on the nanometer to micron scale. Despite the utility of these methods, their implementation can often be difficult, as they present many challenges not encountered in traditional macromolecular crystallography experiments. Here, we describe XFEL serial crystallography experiments and MicroED experiments using batch-grown microcrystals of the enzyme cyclophilin A (CypA). Our results provide a roadmap for researchers hoping to design macromolecular microcrystallography experiments, and they highlight the strengths and weaknesses of the two methods. Specifically, we focus on how the different physical conditions imposed by the sample preparation and delivery methods required for each type of experiment effect the crystal structure of the enzyme.

Phytochrome proteins control the growth, reproduction, and photosynthesis of plants, fungi, and bacteria. Light is detected by a bilin cofactor, but it remains elusive how this leads to activation of the protein through structural changes. We present serial femtosecond X-ray crystallographic data of the chromophore-binding domains of a bacterial phytochrome at delay times of 1~ps and 10~ps after photoexcitation. The structures reveal a twist of the D-ring, which lead to partial detachment of the chromophore from the protein. Unexpectedly, the conserved so-called pyrrole water is photodissociated from the chromophore, concomitant with movement of the A-ring and a key signalling aspartate. The changes are wired together by ultrafast backbone and water movements around the chromophore, channeling them into signal transduction towards the output domains. We suggest that the water dissociation is key to the phytochrome photoresponse, explaining the earliest steps of how plants, fungi and bacteria sense red light.

Abstract Immunometabolism regulates functions and fates of immune cells including T cells. Supersulphides, which are universal metabolites containing catenated sulphur atoms, have various physiological functions based on their unique redox properties. Here we found that activation of T-cell receptor (TCR) signalling was accompanied by supersulphide decrease, which suggests a regulatory contribution of sulphur metabolism to immune function. Consistently, inhibiting supersulphide synthesis facilitated TCR activation and exacerbated allergen-induced type 2 inflammation in mice. Supplementation with glutathione trisulphide (GSSSG), a major endogenous supersulphide, suppressed TCR signalling in naïve CD4 + T cells and their differentiation and effectively alleviated the inflammation. Docking simulation revealed interaction of GSSSG with CD3ε chain in the TCR/CD3 complex, which was supported by mass spectrometry detection of persulphidated glutathionylation at a functionally important CXXC motif of CD3ε chain. This study identified a new post-translational modification with supersulfides and demonstrated a critical contribution of sulphur metabolism to TCR signalling regulation.