The crystal structure of recombinant wild-type green fluorescent protein (GFP) has been solved to a resolution of 1.9 Å by multiwavelength anomalous dispersion phasing methods. The protein is in the shape of a cylinder, comprising 11 strands of ß-sheet with an α-helix inside and short helical segments on the ends of the cylinder. This motif, with ß-structure on the outside and α-helix on the inside, represents a new protein fold, which we have named the ß-can. Two protomers pack closely together to form a dimer in the crystal. The fluorophores are protected inside the cylinders, and their structures are consistent with the formation of aromatic systems made up of Tyr86 with reduction of its Cα-Cß bond coupled with cyclization of the neighboring glycine and serine residues. The environment inside the cylinder explains the effects of many existing mutants of GFP and suggests specific side chains that could be modified to change the spectral properties of GFP. Furthermore, the identification of the dimer contacts may allow mutagenic control of the state of assembly of the protein.

We report picosecond time-resolved x-ray diffraction from the myoglobin (Mb) mutant in which Leu 29 is replaced by Phe (L29Fmutant). The frame-by-frame structural evolution, resolved to 1.8 angstroms, allows one to literally “watch” the protein as it executes its function. Time-resolved mid-infrared spectroscopy of flash-photolyzed L29F MbCO revealed a short-lived CO intermediate whose 140-ps lifetime is shorter than that found in wild-type protein by a factor of 1000. The electron density maps of the protein unveil transient conformational changes far more dramatic than the structural differences between the carboxy and deoxy states and depict the correlated side-chain motion responsible for rapidly sweeping CO away from its primary docking site.

Nitric oxide (NO) has been implicated as mediator in a variety of physiological functions, including neurotransmission, platelet aggregation, macrophage function, and vasodilation. The consumption of NO by extracellular hemoglobin and subsequent vasoconstriction have been suggested to be the cause of the mild hypertensive events reported during in vivo trials of hemoglobin-based O2 carriers. The depletion of NO from endothelial cells is most likely due to the oxidative reaction of NO with oxyhemoglobin in arterioles and surrounding tissue. In order to determine the mechanism of this key reaction, we have measured the kinetics of NO-induced oxidation of a variety of different recombinant sperm whale myoglobins (Mb) and human hemoglobins (Hb). The observed rates depend linearly on [NO] but show no dependence on [O2]. The bimolecular rate constants for NO-induced oxidation of MbO2 and HbO2 are large (k.ox,NO = 30-50 microM-1 s-1 for the wild-type proteins) and similar to those for simple nitric oxide binding to deoxygenated Mb and Hb. Both reversible NO binding and NO-induced oxidation occur in two steps: (1) bimolecular entry of nitric oxide into the distal portion of the heme pocket and (2) rapid reaction of noncovalently bound nitric oxide with the iron atom to produce Fe(2+)-N=O or with Fe(2+)-O-O delta- to produce Fe(3+)-OH2 and nitrate. Both the oxidation and binding rate constants for sperm whale Mb were increased when His(E7) was replaced by aliphatic residues. These mutants lack polar interactions in the distal pocket which normally hinder NO entry into the protein. Decreasing the volume of the distal pocket by replacing Leu(B10) and Val(E11) with aromatic amino acids markedly inhibits NO-induced oxidation of MbO2. The latter results provide a protein engineering strategy for reducing hypertensive events caused by extracellular hemoglobin-based O2 carriers. This approach has been explored by examining the effects of Phe(B10) and Phe(E11) substitutions on the rates of NO-induced oxidation of the alpha and beta subunits in recombinant human hemoglobin.

The highly conserved distal histidine residue (His64) of sperm whale myoglobin modulates the affinity of ligands. In an effort to fully characterize the effects of mutating residue 64, we have determined the high-resolution crystal structures of the Gly64, Val64, Leu64, Thr64 and Gln64 mutants in several liganded forms. Metmyoglobins with hydrophobic substitutions at residue 64 (Val64 and Leu64) lack a water molecule at the sixth coordination position, while those with polar amine acid residues at this position (wild-type and Gln64) retain a covalently bound water molecule. In the Thr64 mutant, the bound water position is only partially occupied. In contrast, mutating the distal histidine residue to glycine does not cause loss of the coordinated water molecule, because the hydrogen bond from the imidazole side-chain is replaced by one from a well-ordered solvent water molecule. Differences in water structure around the distal pocket are apparent also in the structures of deoxymyoglobin mutants. The water molecule that is hydrogen-bonded to the Nε atom of histidine 64 in wild-type deoxymyoglobin is not found in any of the position 64 mutant structures that were determined. Comparison of the carbonmonoxy structures of wild-type, Gly64, Leu64 and Gln64 myoglobins in the P 6 crystal form shows that the conformation of the Fe-C-O complex is nearly linear and is independent of the identity of the amino acid residue at position 64. However, the effect of CO binding on the conformation of residue 64 is striking. Superposition of deoxy and carbonmonoxy structures reveals significant displacements of the residue 64 side-chain in the wild-type and Gln64 myoglobins, but no displacement in the Leu64 mutant. These detailed structural studies provide key insights into the mechanisms of ligand binding and discrimination in myoglobin.

Conversion of lignocellulose to biofuels is partly inefficient due to the deleterious impact of cellulose crystallinity on enzymatic saccharification. We demonstrate how the synergistic activity of cellulases was enhanced by altering the hydrogen bond network within crystalline cellulose fibrils. We provide a molecular-scale explanation of these phenomena through molecular dynamics (MD) simulations and enzymatic assays. Ammonia transformed the naturally occurring crystalline allomorph I(β) to III(I), which led to a decrease in the number of cellulose intrasheet hydrogen bonds and an increase in the number of intersheet hydrogen bonds. This rearrangement of the hydrogen bond network within cellulose III(I), which increased the number of solvent-exposed glucan chain hydrogen bonds with water by ~50%, was accompanied by enhanced saccharification rates by up to 5-fold (closest to amorphous cellulose) and 60-70% lower maximum surface-bound cellulase capacity. The enhancement in apparent cellulase activity was attributed to the "amorphous-like" nature of the cellulose III(I) fibril surface that facilitated easier glucan chain extraction. Unrestricted substrate accessibility to active-site clefts of certain endocellulase families further accelerated deconstruction of cellulose III(I). Structural and dynamical features of cellulose III(I), revealed by MD simulations, gave additional insights into the role of cellulose crystal structure on fibril surface hydration that influences interfacial enzyme binding. Subtle alterations within the cellulose hydrogen bond network provide an attractive way to enhance its deconstruction and offer unique insight into the nature of cellulose recalcitrance. This approach can lead to unconventional pathways for development of novel pretreatments and engineered cellulases for cost-effective biofuels production.

The conformation and molecular dimensions of purified type 6 streptococcal M proteins establish the close structural relationship of these molecules to tropomyosin. Ultracentrifuge studies reveal that the M molecules exist as stable dimers; circular dichroism spectra indicate that the molecules contain about 70% alpha helix; and fiber x-ray diffraction diagrams show the characteristic reflections of the alpha-helical pattern. Electron microscopic images of M protein shadowed with platinum reveal rod-shaped molecules having the same width as tropomyosin. However, the lengths of the M molecules are about 30% shorter than lengths predicted by assuming a completely alpha-helical molecule. These findings indicate that the structure of the M6 protein is primarily alpha-helical coiled coil. Comparison of the lengths of the fibers on the surface of the streptococcus and the isolated M proteins suggests that each fiber on the cell wall consists of a single M-protein molecule approximately 500 A long. The structure determined for these fimbriae is the first alpha-helical coiled-coil conformation to be demonstrated for bacterial surface projections.

The crystal structure of tropomyosin filaments has been solved to 15 A resolution by refinement of models against the diffraction data and heavy atom labeling of cysteine residues. These results confirm and extend earlier findings. The improved maps reveal the pitch of the coiled coil, the location of the cysteine residues, and the location and features of the overlapping molecular ends in the filaments. A correlation can now be made between regions of the amino acid sequence and key features of the molecule, such as contact sites in the lattice and departures from regularity along the coiled coil. The crystal shows remarkable dynamic features and the relative flexibility of different parts of the molecule as well as its anisotropic character have been determined. The structure and motions of tropomyosin in the crystal provide information on the structure of tropomyosin in muscle and its possible role in regulation. An atomic model of the molecule has been constructed, based on the low resolution X-ray results, together with the stereochemistry of alpha-helical coiled coils. In contrast to previous views, the molecule appears to display but one set of seven alpha-sites that permit weak linkages of the flexible tropomyosin filament to the actin helix. Correspondingly, we picture that in the "off" state of ATPase activity, the alpha-sites are not occupied; in the "on" state, they are only partly occupied; and in the "potentiated" state, they are more completely saturated. Control of contraction is therefore seen as a statistical mechanism requiring at least three distinct average conformations for the tropomyosin molecule on the actin helix.

Little is known about the genetic basis of convergent traits that originate repeatedly over broad taxonomic scales. The myogenic electric organ has evolved six times in fishes to produce electric fields used in communication, navigation, predation, or defense. We have examined the genomic basis of the convergent anatomical and physiological origins of these organs by assembling the genome of the electric eel (Electrophorus electricus) and sequencing electric organ and skeletal muscle transcriptomes from three lineages that have independently evolved electric organs. Our results indicate that, despite millions of years of evolution and large differences in the morphology of electric organ cells, independent lineages have leveraged similar transcription factors and developmental and cellular pathways in the evolution of electric organs.

Abstract There is an urgent need for anti-viral agents that treat and/or prevent Covid-19 caused by SARS-Coronavirus (CoV-2) infections. The replication of the SARS CoV-2 is dependent on the activity of two cysteine proteases, a papain-like protease, PL-pro, and the 3C-like protease known as main protease Mpro or 3CLpro. The shortest and the safest path to clinical use is the repurposing of drugs with binding affinity to PLpro or 3CLpro that have an established safety profile in humans. Several studies have reported crystal structures of SARS-CoV-2 main protease in complex with FDA approved drugs such as those used in treatment of hepatitis C. Here, we report the crystal structure of 3CLpro in complex Vitamin C (L-ascorbate) bound to the protein’s active site at 2.5 Ångstrom resolution. The crystal structure of the Vitamin C 3CLpro complex may aid future studies on the effect of Vitamin C not only on the coronavirus main protease but on related proteases of other infectious viruses.

Abstract The SARS coronavirus 2 main protease 3CLpro tailor cuts various essential virus proteins out of long poly-protein translated from the virus RNA. If the 3CLpro is inhibited, the functional virus proteins cannot form and the virus cannot replicate and assemble. Any compound that inhibits the 3CLpro is therefore a potential drug to end the pandemic. Here we show that the diffraction power of 3CLpro crystals is effectively destroyed by Ebselen. It appears that Ebselen may be a widely available, relatively cost effective way to eliminate the SARS coronavirus 2.