The start-up of the Linac Coherent Light Source (LCLS), the new femtosecond hard X-ray laser facility in Stanford, California, has brought high expectations of a new era for biological imaging. The intense, ultrashort X-ray pulses allow diffraction imaging of small structures before radiation damage occurs. Two papers in this issue of Nature present proof-of-concept experiments showing the LCLS in action. Chapman et al. tackle structure determination from nanocrystals of macromolecules that cannot be grown in large crystals. They obtain more than three million diffraction patterns from a stream of nanocrystals of the membrane protein photosystem I, and assemble a three-dimensional data set for this protein. Seibert et al. obtain images of a non-crystalline biological sample, mimivirus, by injecting a beam of cooled mimivirus particles into the X-ray beam. The start-up of the new femtosecond hard X-ray laser facility in Stanford, the Linac Coherent Light Source, has brought high expectations for a new era for biological imaging. The intense, ultrashort X-ray pulses allow diffraction imaging of small structures before radiation damage occurs. This new capability is tested for the problem of structure determination from nanocrystals of macromolecules that cannot be grown in large crystals. Over three million diffraction patterns were collected from a stream of nanocrystals of the membrane protein complex photosystem I, which allowed the assembly of a three-dimensional data set for this protein, and proves the concept of this imaging technique. X-ray crystallography provides the vast majority of macromolecular structures, but the success of the method relies on growing crystals of sufficient size. In conventional measurements, the necessary increase in X-ray dose to record data from crystals that are too small leads to extensive damage before a diffraction signal can be recorded1,2,3. It is particularly challenging to obtain large, well-diffracting crystals of membrane proteins, for which fewer than 300 unique structures have been determined despite their importance in all living cells. Here we present a method for structure determination where single-crystal X-ray diffraction ‘snapshots’ are collected from a fully hydrated stream of nanocrystals using femtosecond pulses from a hard-X-ray free-electron laser, the Linac Coherent Light Source4. We prove this concept with nanocrystals of photosystem I, one of the largest membrane protein complexes5. More than 3,000,000 diffraction patterns were collected in this study, and a three-dimensional data set was assembled from individual photosystem I nanocrystals (∼200 nm to 2 μm in size). We mitigate the problem of radiation damage in crystallography by using pulses briefer than the timescale of most damage processes6. This offers a new approach to structure determination of macromolecules that do not yield crystals of sufficient size for studies using conventional radiation sources or are particularly sensitive to radiation damage.

The start-up of the Linac Coherent Light Source (LCLS), the new femtosecond hard X-ray laser facility in Stanford, California, has brought high expectations of a new era for biological imaging. The intense, ultrashort X-ray pulses allow diffraction imaging of small structures before radiation damage occurs. Two papers in this issue of Nature present proof-of-concept experiments showing the LCLS in action. Chapman et al. tackle structure determination from nanocrystals of macromolecules that cannot be grown in large crystals. They obtain more than three million diffraction patterns from a stream of nanocrystals of the membrane protein photosystem I, and assemble a three-dimensional data set for this protein. Seibert et al. obtain images of a non-crystalline biological sample, mimivirus, by injecting a beam of cooled mimivirus particles into the X-ray beam. The start-up of the new femtosecond hard X-ray laser facility in Stanford, the Linac Coherent Light Source, has brought high expectations for a new era for biological imaging. The intense, ultrashort X-ray pulses allow diffraction imaging of small structures before radiation damage occurs. This new capability is tested for the problem of imaging a non-crystalline biological sample. Images of mimivirus are obtained, the largest known virus with a total diameter of about 0.75 micrometres, by injecting a beam of cooled mimivirus particles into the X-ray beam. The measurements indicate no damage during imaging and prove the concept of this imaging technique. X-ray lasers offer new capabilities in understanding the structure of biological systems, complex materials and matter under extreme conditions1,2,3,4. Very short and extremely bright, coherent X-ray pulses can be used to outrun key damage processes and obtain a single diffraction pattern from a large macromolecule, a virus or a cell before the sample explodes and turns into plasma1. The continuous diffraction pattern of non-crystalline objects permits oversampling and direct phase retrieval2. Here we show that high-quality diffraction data can be obtained with a single X-ray pulse from a non-crystalline biological sample, a single mimivirus particle, which was injected into the pulsed beam of a hard-X-ray free-electron laser, the Linac Coherent Light Source5. Calculations indicate that the energy deposited into the virus by the pulse heated the particle to over 100,000 K after the pulse had left the sample. The reconstructed exit wavefront (image) yielded 32-nm full-period resolution in a single exposure and showed no measurable damage. The reconstruction indicates inhomogeneous arrangement of dense material inside the virion. We expect that significantly higher resolutions will be achieved in such experiments with shorter and brighter photon pulses focused to a smaller area. The resolution in such experiments can be further extended for samples available in multiple identical copies.

Inspired by the period-four oscillation in flash-induced oxygen evolution of photosystem II discovered by Joliot in 1969, Kok performed additional experiments and proposed a five-state kinetic model for photosynthetic oxygen evolution, known as Kok’s S-state clock or cycle1,2. The model comprises four (meta)stable intermediates (S0, S1, S2 and S3) and one transient S4 state, which precedes dioxygen formation occurring in a concerted reaction from two water-derived oxygens bound at an oxo-bridged tetra manganese calcium (Mn4CaO5) cluster in the oxygen-evolving complex3–7. This reaction is coupled to the two-step reduction and protonation of the mobile plastoquinone QB at the acceptor side of PSII. Here, using serial femtosecond X-ray crystallography and simultaneous X-ray emission spectroscopy with multi-flash visible laser excitation at room temperature, we visualize all (meta)stable states of Kok’s cycle as high-resolution structures (2.04–2.08 Å). In addition, we report structures of two transient states at 150 and 400 µs, revealing notable structural changes including the binding of one additional ‘water’, Ox, during the S2→S3 state transition. Our results suggest that one water ligand to calcium (W3) is directly involved in substrate delivery. The binding of the additional oxygen Ox in the S3 state between Ca and Mn1 supports O–O bond formation mechanisms involving O5 as one substrate, where Ox is either the other substrate oxygen or is perfectly positioned to refill the O5 position during O2 release. Thus, our results exclude peroxo-bond formation in the S3 state, and the nucleophilic attack of W3 onto W2 is unlikely. Crystallography and spectroscopy are used to solve high-resolution structures of the intermediates of Kok’s S-state clock in photosystem II.

Femtosecond X-ray pulses were used to obtain diffraction data on photosystem II, revealing conformational changes as the complex transitions from the dark S1 state to the double-pumped S3 state; the time-resolved serial femtosecond crystallography technique enables structural determination of protein conformations that are highly prone to traditional radiation damage. It has recently been shown that extremely short and intense radiation pulses from X-ray free-electron lasers can be used to obtain diffraction data on nanometre- to micrometre-sized protein crystals before the crystal suffers radiation damage. The hope is that this 'serial femtosecond crystallography' (SFX) approach will produce structures of proteins and protein complexes that do not yield well-ordered macroscopic crystals. These authors collected time-resolved SFX data on small crystals of photosystem II of photosynthesis during its transition from the 'dark' S1 state to the double-excited S3 state. At present the resolution of this technique is moderate, but it is sufficient to reveal significant conformational changes at the Mn4CaO5 cluster at the heart of the oxygen evolving complex and at the electron acceptor site. Photosynthesis, a process catalysed by plants, algae and cyanobacteria converts sunlight to energy thus sustaining all higher life on Earth. Two large membrane protein complexes, photosystem I and II (PSI and PSII), act in series to catalyse the light-driven reactions in photosynthesis. PSII catalyses the light-driven water splitting process, which maintains the Earth’s oxygenic atmosphere1. In this process, the oxygen-evolving complex (OEC) of PSII cycles through five states, S0 to S4, in which four electrons are sequentially extracted from the OEC in four light-driven charge-separation events. Here we describe time resolved experiments on PSII nano/microcrystals from Thermosynechococcus elongatus performed with the recently developed2 technique of serial femtosecond crystallography. Structures have been determined from PSII in the dark S1 state and after double laser excitation (putative S3 state) at 5 and 5.5 Å resolution, respectively. The results provide evidence that PSII undergoes significant conformational changes at the electron acceptor side and at the Mn4CaO5 core of the OEC. These include an elongation of the metal cluster, accompanied by changes in the protein environment, which could allow for binding of the second substrate water molecule between the more distant protruding Mn (referred to as the ‘dangler’ Mn) and the Mn3CaOx cubane in the S2 to S3 transition, as predicted by spectroscopic and computational studies3,4. This work shows the great potential for time-resolved serial femtosecond crystallography for investigation of catalytic processes in biomolecules.

One Protein, Two Probes A central challenge in the use of x-ray diffraction to characterize macromolecular structure is the propensity of the high-energy radiation to damage the sample during data collection. Recently, a powerful accelerator-based, ultrafast x-ray laser source has been used to determine the geometric structures of small protein crystals too fragile for conventional diffraction techniques. Kern et al. (p. 491 , published online 14 February) now pair this method with concurrent x-ray emission spectroscopy to probe electronic structure, as well as geometry, and were able to characterize the metal oxidation states in the oxygen-evolving complex within photosystem II crystals, while simultaneously verifying the surrounding protein structure.

The structures of three intermediate states of photosystem II, which is crucial for photosynthesis, have been solved at room temperature, shedding new light on this process. During the conversion of light into energy in plants, photosystem II oxidizes water within a Mn4CaO5 cluster in the oxygen evolving complex (OEC). This process involves five intermediate states that have eluded structural determination until now. Junko Yano and colleagues use a femtosecond X-ray free electron laser (XFEL) to capture three of these states at room temperature. As the structure was solved in the presence of ammonia, a water analogue, the authors are able to conclude that the ammonia-binding Mn site is not a substrate water site. Light-induced oxidation of water by photosystem II (PS II) in plants, algae and cyanobacteria has generated most of the dioxygen in the atmosphere. PS II, a membrane-bound multi-subunit pigment protein complex, couples the one-electron photochemistry at the reaction centre with the four-electron redox chemistry of water oxidation at the Mn4CaO5 cluster in the oxygen-evolving complex (OEC). Under illumination, the OEC cycles through five intermediate S-states (S0 to S4)1, in which S1 is the dark-stable state and S3 is the last semi-stable state before O–O bond formation and O2 evolution2,3. A detailed understanding of the O–O bond formation mechanism remains a challenge, and will require elucidation of both the structures of the OEC in the different S-states and the binding of the two substrate waters to the catalytic site4,5,6. Here we report the use of femtosecond pulses from an X-ray free electron laser (XFEL) to obtain damage-free, room temperature structures of dark-adapted (S1), two-flash illuminated (2F; S3-enriched), and ammonia-bound two-flash illuminated (2F-NH3; S3-enriched) PS II. Although the recent 1.95 Å resolution structure of PS II at cryogenic temperature using an XFEL7 provided a damage-free view of the S1 state, measurements at room temperature are required to study the structural landscape of proteins under functional conditions8,9, and also for in situ advancement of the S-states. To investigate the water-binding site(s), ammonia, a water analogue, has been used as a marker, as it binds to the Mn4CaO5 cluster in the S2 and S3 states10. Since the ammonia-bound OEC is active, the ammonia-binding Mn site is not a substrate water site10,11,12,13. This approach, together with a comparison of the native dark and 2F states, is used to discriminate between proposed O–O bond formation mechanisms.

X-ray free-electron lasers have enabled new approaches to the structural determination of protein crystals that are too small or radiation-sensitive for conventional analysis1. For sufficiently short pulses, diffraction is collected before significant changes occur to the sample, and it has been predicted that pulses as short as 10 fs may be required to acquire atomic-resolution structural information1,2,3,4. Here, we describe a mechanism unique to ultrafast, ultra-intense X-ray experiments that allows structural information to be collected from crystalline samples using high radiation doses without the requirement for the pulse to terminate before the onset of sample damage. Instead, the diffracted X-rays are gated by a rapid loss of crystalline periodicity, producing apparent pulse lengths significantly shorter than the duration of the incident pulse. The shortest apparent pulse lengths occur at the highest resolution, and our measurements indicate that current X-ray free-electron laser technology5 should enable structural determination from submicrometre protein crystals with atomic resolution. Researchers describe a mechanism capable of compressing fast and intense X-ray pulses through the rapid loss of crystalline periodicity. It is hoped that this concept, combined with X-ray free-electron laser technology, will allow scientists to obtain structural information at atomic resolutions.

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 The COVID19 pandemic has resulted in 25+ million reported infections and nearly 850.000 deaths. Research to identify effective therapies for COVID19 includes: i) designing a vaccine as future protection; ii) structure-based drug design; and iii) identifying existing drugs to repurpose them as effective and immediate treatments. To assist in drug repurposing and design, we determined two apo structures of Severe Acute Respiratory Syndrome CoronaVirus-2 main protease at ambienttemperature by Serial Femtosecond X-ray crystallography. We employed detailed molecular simulations of selected known main protease inhibitors with the structures and compared binding modes and energies. The combined structural biology and molecular modeling studies not only reveal the dynamics of small molecules targeting main protease but will also provide invaluable opportunities for drug repurposing and structure-based drug design studies against SARS-CoV-2. One Sentence Summary Radiation-damage-free high-resolution SARS-CoV-2 main protease SFX structures obtained at near-physiological-temperature offer invaluable information for immediate drug-repurposing studies for the treatment of COVID19.