Single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) is increasingly being used to determine distances, structures, and dynamics of biomolecules in vitro and in vivo. However, generalized protocols and FRET standards to ensure the reproducibility and accuracy of measurements of FRET efficiencies are currently lacking. Here we report the results of a comparative blind study in which 20 labs determined the FRET efficiencies (E) of several dye-labeled DNA duplexes. Using a unified, straightforward method, we obtained FRET efficiencies with s.d. between ±0.02 and ±0.05. We suggest experimental and computational procedures for converting FRET efficiencies into accurate distances, and discuss potential uncertainties in the experiment and the modeling. Our quantitative assessment of the reproducibility of intensity-based smFRET measurements and a unified correction procedure represents an important step toward the validation of distance networks, with the ultimate aim of achieving reliable structural models of biomolecular systems by smFRET-based hybrid methods.

Abstract Single-molecule FRET (smFRET) has become an established tool to study biomolecular structure and dynamics in vitro and in live cells. We performed a worldwide blind study involving 19 labs to assess the uncertainty of FRET experiments for proteins with respect to the measured FRET efficiency histograms, determination of distances, and the detection and quantification of structural dynamics. Using two protein systems that undergo distinct conformational changes, we obtained an uncertainty of the FRET efficiency of less than ± 0.06, corresponding to an interdye distance precision of ≤ 0.2 nm and accuracy of ≤ 0.5 nm. We further discuss the limits for detecting distance fluctuations with sensitivity down to ≲ 10% of the Förster distance and provide guidelines on how to detect potential dye perturbations. The ability of smFRET experiments to simultaneously measure distances and avoid averaging of conformational dynamics slower than the fluorescence lifetime is unique for dynamic structural biology.

ABSTRACT Single-molecule FRET (smFRET) is a versatile technique to study the dynamics and function of biomolecules since it makes nanoscale movements detectable as fluorescence signals. The powerful ability to infer quantitative kinetic information from smFRET data is, however, complicated by experimental limitations. Diverse analysis tools have been developed to overcome these hurdles but a systematic comparison is lacking. Here, we report the results of a blind benchmark study assessing eleven analysis tools used to infer kinetic rate constants from smFRET trajectories. We tested them against simulated and experimental data containing the most prominent difficulties encountered in analyzing smFRET experiments: different noise levels, varied model complexity, non-equilibrium dynamics, and kinetic heterogeneity. Our results highlight the current strengths and limitations in inferring kinetic information from smFRET trajectories. In addition, we formulate concrete recommendations and identify key targets for future developments, aimed to advance our understanding of biomolecular dynamics through quantitative experiment-derived models.

Abstract The nuclear pore complex (NPC) regulates the selective transport of large biomolecules through the nuclear envelope. As a model system for nuclear transport, we construct NPC mimics by functionalizing the pore walls of freestanding palladium zero-mode waveguides with the FG-nucleoporin Nsp1. This approach enables the measurement of single-molecule translocations through individual pores using optical detection. We probe the selectivity of Nsp1-coated pores by quantitatively comparing the translocation rates of the nuclear transport receptor Kap95 to the inert probe BSA over a wide range of pore sizes from 35 nm to 160 nm. Pores below 55 ± 5 nm show significant selectivity that gradually decreases for larger pores. This finding is corroborated by coarse-grained molecular-dynamics simulations of the Nsp1 mesh within the pore, which suggest that leakage of BSA occurs by diffusion through transient openings within the dynamic mesh. Furthermore, we experimentally observe a modulation of the BSA permeation when varying the concentration of Kap95. The results demonstrate the potential of single-molecule fluorescence measurements on biomimetic NPCs to elucidate the principles of nuclear transport.

Abstract The complex pharmacology of G-protein-coupled receptors (GPCRs) is defined by their multi-state conformational dynamics. Single-molecule Förster Resonance Energy Transfer (smFRET) is well-suited to quantify dynamics for individual protein molecules, however, its application to GPCRs is challenging; therefore, smFRET has been limited to studies of interreceptor interactions in cellular membranes and receptors in detergent environments. Here, we performed smFRET experiments on functionally active human A 2A adenosine receptor (A 2A AR) molecules embedded in freely diffusing lipid nanodiscs to study their intramolecular conformational dynamics. We propose a dynamic model of A 2A AR activation that involves a slow (>2 ms) exchange between the active-like and inactive-like conformations in both apo and antagonist-bound A 2A AR, explaining the receptor’s constitutive activity. For the agonist-bound A 2A AR, we detected faster (390±80 μs) ligand efficacy-dependent dynamics. This work establishes a general smFRET platform for GPCR investigations that can potentially be used for drug screening and/or mechanism-of-action studies.

Efficient degradation of plant cell walls by selected anaerobic bacteria is performed by large extracellular multienzyme complexes termed cellulosomes. The spatial arrangement within the cellulosome is organized by a protein called scaffoldin, which recruits the cellulolytic subunits through interactions between cohesin modules on the scaffoldin and dockerin modules on the enzymes. Although many structural studies of the individual components of cellulosomal scaffoldins have been performed, the role of interactions between individual cohesin modules and the flexible linker regions between them are still not entirely understood. Here, we report single-molecule measurements using Förster resonance energy transfer to study the conformational dynamics of a bimodular tandem cohesin segment of the scaffoldin protein CipA of Clostridium thermocellum. Our data reveal the existence of compacted structures in solution that persist on the timescale of milliseconds. The compacted conformation is found to be in dynamic equilibrium with an extended state that shows distance fluctuations on the microsecond timescale. Shortening of the inter-cohesin linker does not significantly alter the structural dynamics. Upon addition of dockerin-containing enzymes, an extension of the flexible state is observed but the cohesin-cohesin interactions persist. This suggests that the dockerin-binding interfaces are not involved in cohesin-cohesin interactions. The formation of cohesin-cohesin interactions is also observed in all-atom molecular dynamics simulations of the system. From the simulations, we identify possible inter-cohesin binding modes, none of which show obstruction of the cohesin-dockerin binding interfaces. Our results go beyond the view of scaffoldin as 'beads on a string'. We propose that both the flexibility and cohesin-cohesin interactions are important factors for the precise spatial arrangement of the enzymatic subunits in the cellulosome that leads to the high catalytic synergy in these assemblies. Hence, the flexibility of the linker region and cohesin-cohesin interactions should be considered when designing cellulosomes for industrial applications.

Abstract The ParABS system plays a critical role in bacterial chromosome segregation. The key component of this system, ParB, loads and spreads along DNA to form a local protein-DNA condensate known as a partition complex. As bacterial chromosomes are heavily supercoiled due to the continuous action of RNA polymerases, gyrases, and nucleoid-associated proteins, it is important to study the impact of DNA supercoiling on the ParB-DNA partition complex formation. Here, we use an in vitro single- molecule assay to visualize ParB on supercoiled DNA. Unlike most DNA-binding proteins, individual ParB proteins are found to not pin plectonemes on supercoiled DNA, but freely diffuse along supercoiled DNA. We find that DNA supercoiling enhances ParB-DNA condensation which initiates at lower ParB concentrations than on DNA that is torsionally relaxed. ParB proteins induce a DNA- protein condensate that strikingly absorbs all supercoiling writhe. Our findings provide mechanistic insights that have important implications for our understanding of bacterial chromosome organization and segregation.

Abstract Single-molecule fluorescence imaging experiments generally require sub-nanomolar protein concentrations to isolate single protein molecules, which makes such experiments challenging in live cells due to high intracellular protein concentrations. Here, we show that single-molecule observations can be achieved in live cells through a drastic reduction in the observation volume using overmilled zero-mode waveguides (ZMWs - subwavelength-size holes in a metal film). Overmilling of the ZMW in a palladium film creates a nanowell of tunable size in the glass layer below the aperture, which cells can penetrate. We present a thorough theoretical and experimental characterization of the optical properties of these nanowells over a wide range of ZMW diameters and overmilling depths, showing an excellent signal confinement and a five-fold fluorescence enhancement of fluorescent molecules inside nanowells. ZMW nanowells facilitate live-cell imaging, as cells form stable protrusions into the nanowells. Importantly, the nanowells greatly reduce cytoplasmic background fluorescence, enabling detection of individual membrane-bound fluorophores in the presence of high cytoplasmic expression levels, which could not be achieved with TIRF microscopy. Zero-mode waveguide nanowells thus provide great potential to study individual proteins in living cells. Graphical abstract

Single-molecule Förster resonance energy transfer (FRET) is a powerful tool to study conformational dynamics of biomolecules. Using solution-based single-pair FRET by burst analysis, conformational heterogeneities and fluctuations of fluorescently labeled proteins or nucleic acids can be studied by monitoring a single distance at a time. Three-color FRET is sensitive to three distances simultaneously and can thus elucidate complex coordinated motions within single molecules. While three-color FRET has been applied on the single-molecule level before, a detailed quantitative description of the obtained FRET efficiency distributions is still missing. Direct interpretation of three- color FRET data is additionally complicated by an increased shot noise contribution when converting photon counts to FRET efficiencies. However, to address the question of coordinated motion, it is of special interest to extract information about the underlying distance heterogeneity, which is not easily extracted from the FRET efficiency histograms directly. Here, we present three-color photon distribution analysis (3C-PDA), a method to extract distributions of inter-dye distances from three- color FRET measurements. We present a model for diffusion-based three-color FRET experiments and apply Bayesian inference to extract information about the physically relevant distance heterogeneity in the sample. The approach is verified using simulated data sets and experimentally applied to triple-labeled DNA duplexes. Finally, 3C-FRET experiments on the Hsp70 chaperone BiP reveal conformational coordinated changes between individual domains. The possibility to address the co-occurrence of intramolecular distances makes 3C-PDA a powerful method to study the coordination of domain motions within biomolecules during conformational changes.

To maintain genome integrity, segmented double-stranded RNA viruses of the Reoviridae family must accurately select and package a complete set of up to a dozen distinct genomic RNAs. It is thought that the high fidelity segmented genome assembly involves multiple sequence-specific RNA-RNA interactions between single-stranded RNA segment precursors. These are mediated by virus-encoded non-structural proteins with RNA chaperone-like activities, such as rotavirus NSP2 and avian reovirus σNS. Here, we compared the abilities of NSP2 and σNS to mediate sequence-specific interactions between rotavirus genomic segment precursors. Despite their similar activities, NSP2 successfully promotes inter-segment association, while σNS fails to do so. To understand the mechanisms underlying such selectivity in promoting inter-molecular duplex formation, we compared RNA-binding and helix-unwinding activities of both proteins. We demonstrate that octameric NSP2 binds structured RNAs with high affinity, resulting in efficient intramolecular RNA helix disruption. Hexameric σNS oligomerises into an octamer that binds two RNAs, yet it exhibits only limited RNA-unwinding activity compared to NSP2. Thus, the formation of intersegment RNA-RNA interactions is governed by both helix-unwinding capacity of the chaperones and stability of RNA structure. We propose that this protein-mediated RNA selection mechanism may underpin the high fidelity assembly of multi-segmented RNA genomes in Reoviridae.