Abstract PET hydrolase (PETase), which hydrolyzes polyethylene terephthalate (PET) into soluble building blocks, provides an attractive avenue for the bioconversion of plastics. Here we present the structures of a novel PETase from the PET-consuming microbe Ideonella sakaiensis in complex with substrate and product analogs. Through structural analyses, mutagenesis, and activity measurements, a substrate-binding mode is proposed, and several features critical for catalysis are elucidated.

We report the discovery of a series of new drug leads that have potent activity against Mycobacterium tuberculosis as well as against other bacteria, fungi, and a malaria parasite. The compounds are analogues of the new tuberculosis (TB) drug SQ109 (1), which has been reported to act by inhibiting a transporter called MmpL3, involved in cell wall biosynthesis. We show that 1 and the new compounds also target enzymes involved in menaquinone biosynthesis and electron transport, inhibiting respiration and ATP biosynthesis, and are uncouplers, collapsing the pH gradient and membrane potential used to power transporters. The result of such multitarget inhibition is potent inhibition of TB cell growth, as well as very low rates of spontaneous drug resistance. Several targets are absent in humans but are present in other bacteria, as well as in malaria parasites, whose growth is also inhibited.

Abstract Tumor cells and pathogen-infected cells are presented to human γδ T cells based on “inside-out” signaling in which metabolites called phosphoantigens (pAgs) inside target cells are recognized by the intracellular domain of a butyrophilin protein (BTN3A1), leading to an extracellular conformational change. Here, we report that pAgs function as molecular “glues” that initiate a heteromeric association between the intracellular domains of BTN3A1 and the structurally similar BTN2A1. Working with both exogenous and endogenous pAgs, we used x-ray crystallography, mutational studies, cellular assays, synthetic probe as well as molecular dynamics investigations to determine how pAgs glue intracellular BTN3A1 and BTN2A1 together for the “inside-out” signaling that triggers γδ T cell activation. This γδ T cell-specific mode of antigen sensing creates opportunities for the development of alternative immunotherapies against cancer and infectious diseases that do not involve αβ T cells. One Sentence Summary The responses of gamma-delta T cells to cancer cells or pathogens are initiated via the intracellular association of heteromeric butyrophilins that are glued together by isoprenoid metabolites.

Abstract KRAS mutation occurs in nearly 30% of human cancers, yet the most prevalent and oncogenic KRAS mutation (G12D) still lacks inhibitors. Herein, we explored the formation of a salt-bridge between KRAS’s Asp12 residue and a series of potent inhibitors. Our ITC results show that these inhibitors bind to and inhibit both GDP-bound and GTP-bound KRAS G12D, and our crystallographic studies revealed the structural basis of inhibitor binding in the switch-II pocket, experimentally confirming the formation of a salt-bridge between the piperazine moiety of the inhibitors and the 12D residue of the mutant protein. Among KRAS family proteins and mutants, both ITC and enzymatic assays support the selectivity of the inhibitors for KRAS G12D, and the inhibitors disrupt the KRAS-CRAF interaction. We also observed inhibition of cancer cell proliferation and inhibition of MAPK signaling by a representative inhibitor (TH-Z835); however, since this was not fully dependent on KRAS mutation status, it is possible that our inhibitors may have off-target effects via non-KRAS small GTPases. Experiments with a mouse model of pancreatic cancer showed that TH-Z835 significantly reduced tumor volume and synergized with an anti-PD-1 antibody. Collectively, our study demonstrates proof-of-concept for a salt-bridge, induced-fit pocket strategy for KRAS G12D, which warrants future medicinal chemistry efforts for optimal efficacy and minimized off-target effects.

Organohalogen compounds exhibit wide-ranging bioactivities and potential applications. Understanding natural biosynthetic pathways and improving the production of halogenated compounds has garnered significant attention. Recently, the biosynthetic pathway of a cyanobacterial neurotoxin, aetokthonotoxin, was reported. It contains two unique enzymes: a single-component flavin-dependent halogenase AetF and a new type of nitril synthase AetD. The crystal structures of these enzymes in complex with their cofactors and substrates that were recently reported will be presented here. The AetF structures reveal a tri-domain architecture, the transfer direction of the hydride ion, a possible path to deliver the hypohalous acid, and the unusual bispecific substrate-recognition mode. The AetD structures demonstrate that the nitrile formation should occur through the action of a diiron cluster, implying that the enzyme should be capable of catalyzing the nitrile formation of alternative amino acids. This information is of central importance for understanding the mechanism of action as well as the applications of these two the-first-of-its-kind enzymes.

The excessive content of heavy metal ions in water has attracted increasing worldwide attention due to the potential harm to human health and ecological systems. Therefore, it is particularly significant to research and develop a sensitive and straightforward water quality monitoring method. Here, a dual-network designed hydrogel poly(acrylic acid-co-N-methylolacrylamide)/poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate, P(AA-co-N-MA)/PEDOT: PSS, was constructed and used for Fe3+ detection. Compared with previous reports, the P(AA-co-N-MA)/PEDOT: PSS hydrogel has a much more sensitive and convenient detection of immune iron ions (Fe3+), is applied to monitor a trace of over-the-standard (the lower limit of detection is 0.52 ppm corresponding to 0.06 S/m for human health monitor, and the threshold for water quality monitoring is 0.16 S/m). The relationship between Fe3+ content and the conductivity of the hydrogel allows it to integrate with other electron devices to provide an early warning function for Fe3+ in the human body, which would be of great significance to human health monitoring.

Terpenoid cyclases (TCs) account for the synthesis of the most widespread and diverse natural compounds. A sesquiterpene cyclase termed BcABA3 from an abscisic acid-producing fungus Botrytis cinerea that yields (2Z,4E)-α-ionylideneethane but lacks signature feature of canonical TCs represents a distinct type of TCs. Here, we report the crystal structures of BcABA3, a closely related RuABA3 from Rutstroemia sp. and a bacterial SkABA3 from Shimazuella kribbensis. These ABA3 proteins adopt an all-α-helix fold and bind pyrophosphate moiety of farnesyl pyrophosphate by Glu-chelated Mg2+ ion cluster. We conduct mutagenesis experiments to validate the role of the substrate-binding residues. SkABA3 appears to yield compounds that are distinct from (2Z,4E)-α-ionylideneethane. These results not only provide the molecular insight into ABA3 proteins that serve as an important basis to the future investigation of this class of TCs, but also reveal the existence of more uncharacterized terpenoids synthesized via dedicated machineries. BcABA3 catalyzes farnesyl pyrophosphate cyclization but lacks features to be recognized as a terpene cyclase. Here, authors report crystal structures of BcABA3 and homologues to reveal the molecular basis of this distinct type of enzyme.

More than ten ergot alkaloids comprising both natural and semi-synthetic products are used to treat various diseases1,2. The central C ring forms the core pharmacophore for ergot alkaloids, giving them structural similarity to neurotransmitters, thus enabling their modulation of neurotransmitter receptors3. The haem catalase chanoclavine synthase (EasC) catalyses the construction of this ring through complex radical oxidative cyclization4. Unlike canonical catalases, which catalyse H2O2 disproportionation5,6, EasC and its homologues represent a broader class of catalases that catalyse O2-dependent radical reactions4,7. We have elucidated the structure of EasC by cryo-electron microscopy, revealing a nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced) (NADPH)-binding pocket and a haem pocket common to all haem catalases, with a unique homodimeric architecture that is, to our knowledge, previously unobserved. The substrate prechanoclavine unprecedentedly binds in the NADPH-binding pocket, instead of the previously suspected haem-binding pocket, and two pockets were connected by a slender tunnel. Contrary to the established mechanisms, EasC uses superoxide rather than the more generally used transient haem iron-oxygen complexes (such as compounds I, II and III)8,9, to mediate substrate transformation through superoxide-mediated cooperative catalysis of the two distant pockets. We propose that this reactive oxygen species mechanism could be widespread in metalloenzyme-catalysed reactions.

N–N bond formation plays a critical role in the synthesis of organic compounds and has broad applications in producing dyes, pharmaceuticals, and functional materials. However, N–N bond formation is challenging due to the nucleophilicity of nitrogen. Here, we determined the crystal structures of a heme-dependent enzyme, KtzT, which catalyzes the cyclization of l-N5-hydroxyornithine (l-N5-OH-Orn) to yield l-piperazate (l-piz) by linking two intramolecular nitrogen atoms. The complex structure of KtzTC197A with l-N5-OH-Orn reveals the substrate-interaction network, validated through mutagenesis experiments. Notably, the N5 atom of the substrate directly coordinates with the heme iron, precluding oxygen binding. This supports prior knowledge that KtzT catalyzes an oxygen-independent reaction. Intriguingly, the substrate exhibits two distinct conformations in our crystals. Based on the distance between the intramolecular nitrogen atoms and the product accommodation pose in the KtzTC197A/l-piz structure, conformation 2 is likely the productive pose, while the more extended conformation 1 may be a transient state facilitating entry into the catalytic tunnel. A potential catalytic pathway is also proposed. These findings offer structural insights for developing bio- and metal-catalyzed methods for N–N bond formation.

Abstract CRISPR-Cas9 has been developed as a powerful gene editing tool, but the mechanism governing the intricate catalytic process remains incompletely resolved. Here, the cryo-electron microscopy structures of thermostable Cas9 from Geobacillus stearothermophilus (GeoCas9) in complex with sgRNA and target DNA are reported. The structure of GeoCas9 in complex with sgRNA reveals a slit termed L1-crevice comprising HNH, RuvC, and L1 helix as a transient storage site of 5’ spacer of sgRNA. When 5’ spacer is extracted to pair with the target DNA, L1-crevice collapses to trigger the subsequent HNH domain translocation. In addition, structural and biochemical analyses suggest that the resilience of GeoCas9 at elevated temperature is related to the unique PI domain conformation. These results advance our understanding into the catalytic process of Cas9 and unveil the molecular mechanism that accounts for the superior thermal profile of GeoCas9.