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 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.

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 Macromolecular crystallography is a well-established method in the field of structure biology and has led to the majority of known protein structures to date. After focusing on static structures, the method is now developing towards the investigation of protein dynamics through time-resolved methods. These experiments often require multiple handling steps of the sensitive protein crystals, e.g. for ligand soaking and cryo-protection. These handling steps can cause significant crystal damage, causing a decrease in data quality. Furthermore, in time-resolved experiments based on serial crystallography that use micron-sized crystals for short diffusion times of ligands, certain crystal morphologies with small solvent channels can prevent sufficient ligand diffusion. Described here is a method combining protein crystallization and data collection in a novel one-step-process. Corresponding experiments were successfully performed as a proof-of-principle using hen egg white lysozyme and crystallization times of only a few seconds. This method called JINXED ( J ust in time c rystallization for e asy structure d etermination) promises to result in high-quality data due the avoidance of crystal handling and has the potential to enable time-resolved experiments with crystals containing small solvent channels by adding potential ligands to the crystallization buffer, simulating traditional co-crystallization approaches.

Abstract The emergence and spread of antibiotic resistance represent a growing threat to public health. Of particular concern is the appearance of β-lactamases, which are capable to hydrolyze and inactivate the most important class of antibiotics, the β-lactams. Effective β-lactamase inhibitors and mechanistic insights into their action are central in overcoming this type of resistance, and in this context boronate-based β-lactamase inhibitors were just recently approved to treat multidrug-resistant bacteria. Using boric acid as a simplified inhibitor model, time-resolved serial crystallography was employed to obtain mechanistic insights into binding to the active site serine of β-lactamase CTX-M-14, identifying a reaction time frame of 80–100 ms. In a next step, the subsequent 1,2-diol boric ester formation with glycerol in the active site was monitored proceeding in a time frame of 100–150 ms. Furthermore, the displacement of the crucial anion in the active site of the β-lactamase was verified as an essential part of the binding mechanism of substrates and inhibitors. In total, 22 datasets of β-lactamase intermediate complexes with high spatial resolution of 1.40–2.04 Å and high temporal resolution range of 50–10,000 ms were obtained, allowing a detailed analysis of the studied processes. Mechanistic details captured here contribute to the understanding of molecular processes and their time frames in enzymatic reactions. Moreover, we could demonstrate that time-resolved crystallography can serve as an additional tool for identifying and investigating enzymatic reactions.