In photosynthesis, the harvesting of solar energy and its subsequent conversion into a stable charge separation are dependent upon an interconnected macromolecular network of membrane-associated chlorophyll–protein complexes. Although the detailed structure of each complex has been determined1,2,3,4, the size and organization of this network are unknown. Here we show the use of atomic force microscopy to directly reveal a native bacterial photosynthetic membrane. This first view of any multi-component membrane shows the relative positions and associations of the photosynthetic complexes and reveals crucial new features of the organization of the network: we found that the membrane is divided into specialized domains each with a different network organization and in which one type of complex predominates. Two types of organization were found for the peripheral light-harvesting LH2 complex. In the first, groups of 10–20 molecules of LH2 form light-capture domains that interconnect linear arrays of dimers of core reaction centre (RC)–light-harvesting 1 (RC–LH1–PufX) complexes; in the second they were found outside these arrays in larger clusters. The LH1 complex is ideally positioned to function as an energy collection hub, temporarily storing it before transfer to the RC where photochemistry occurs: the elegant economy of the photosynthetic membrane is demonstrated by the close packing of these linear arrays, which are often only separated by narrow ‘energy conduits’ of LH2 just two or three complexes wide.

Antibodies are crucial to immune protection against SARS-CoV-2, with some in emergency use as therapeutics. Here, we identify 377 human monoclonal antibodies (mAbs) recognizing the virus spike and focus mainly on 80 that bind the receptor binding domain (RBD). We devise a competition data-driven method to map RBD binding sites. We find that although antibody binding sites are widely dispersed, neutralizing antibody binding is focused, with nearly all highly inhibitory mAbs (IC50 < 0.1 μg/mL) blocking receptor interaction, except for one that binds a unique epitope in the N-terminal domain. Many of these neutralizing mAbs use public V-genes and are close to germline. We dissect the structural basis of recognition for this large panel of antibodies through X-ray crystallography and cryoelectron microscopy of 19 Fab-antigen structures. We find novel binding modes for some potently inhibitory antibodies and demonstrate that strongly neutralizing mAbs protect, prophylactically or therapeutically, in animal models.

Transmission electron microscopy (EM) is a versatile technique that can be used to image biological specimens ranging from intact eukaryotic cells to individual proteins >150 kDa. There are several strategies for preparing samples for imaging by EM, including negative staining and cryogenic freezing. In the last few years, cryo-EM has undergone a 'resolution revolution', owing to both advances in imaging hardware, image processing software, and improvements in sample preparation, leading to growing number of researchers using cryo-EM as a research tool. However, cryo-EM is still a rapidly growing field, with unique challenges. Here, we summarise considerations for imaging of a range of specimens from macromolecular complexes to cells using EM.

Vesicular nucleo-cytoplasmic transport is becoming recognized as a general cellular mechanism for translocation of large cargoes across the nuclear envelope. Cargo is recruited, enveloped at the inner nuclear membrane (INM), and delivered by membrane fusion at the outer nuclear membrane. To understand the structural underpinning for this trafficking, we investigated nuclear egress of progeny herpesvirus capsids where capsid envelopment is mediated by two viral proteins, forming the nuclear egress complex (NEC). Using a multi-modal imaging approach, we visualized the NEC in situ forming coated vesicles of defined size. Cellular electron cryo-tomography revealed a protein layer showing two distinct hexagonal lattices at its membrane-proximal and membrane-distant faces, respectively. NEC coat architecture was determined by combining this information with integrative modeling using small-angle X-ray scattering data. The molecular arrangement of the NEC establishes the basic mechanism for budding and scission of tailored vesicles at the INM.

Abstract Type-A γ-aminobutyric acid (GABA A ) receptors are pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs), typically consisting of α/β/γ subunit combinations. They are the principal mediators of inhibitory neurotransmission throughout the central nervous system and targets of major clinical drugs, such as benzodiazepines (BZDs) used to treat epilepsy, insomnia, anxiety, panic disorder and muscle spasm. However, the structures of heteromeric receptors and the molecular basis of BZD operation remain unknown. Here we report the cryo-EM structure of a human α1β3γ2 GABA A R in complex with GABA and a nanobody that acts as a novel positive allosteric modulator (PAM). The receptor subunits assume a unified quaternary activated conformation around an open pore. We also present crystal structures of engineered α5 and α5γ2 GABA A R constructs, revealing the interfacial site for allosteric modulation by BZDs, including the binding modes and the conformational impact of the potent anxiolytic and partial PAM, bretazenil, and the BZD antagonist, flumazenil. These findings provide the foundation for understanding the mechanistic basis of GABA A R activation.

Abstract Serial focussed ion beam scanning electron microscopy (FIB/SEM) enables imaging and assessment of sub-cellular structures on the mesoscale (10 nm to 10 μm). When applied to vitrified samples, serial FIB/SEM is also a means to target specific structures in cells and tissues while maintaining constituents’ hydration shells for in-situ structural biology downstream. However, the application of serial FIB/SEM imaging of non-stained cryogenic biological samples is limited due to low contrast, curtaining and charging artefacts. We address these challenges using a cryogenic plasma FIB/SEM (cryo-pFIB/SEM). We evaluated the choice of plasma ion source and imaging regimes to produce high quality SEM images of a range of different biological samples. Using an automated workflow we produced three dimensional volumes of bacteria, human cells, and tissue, and calculated estimates for their resolution, typically achieving 20 to 50 nm. Additionally, a tag-free tool is needed to drive the application of in situ structural biology towards tissue. The combination of serial FIB/SEM with plasmabased ion sources promises a framework for targeting specific features in bulk-frozen samples (>100 μm) to produce lamella for cryogenic electron tomography.

Abstract In meiosis, cells undergo two sequential rounds of cell division, termed meiosis I and meiosis II. Textbook models of the meiosis I substage called pachytene show that nuclei have conspicuous 100-nm-wide, ladder-like synaptonemal complexes (SC), which form between homologous chromosomes. It remains unknown if cells have any other large, meiosis-specific nuclear structures. Here we present cryo-ET analysis of frozen-hydrated budding yeast cells before, during, and after pachytene. We found no evidence for the dense ladder-like structures expected of the SC or the ordered chromatin loops expected to project from their sides. Instead, we found large quantities of 12-nm-wide triple-helices that pack into crystalline bundles. These structures are present in meiotic cells, but not in interphase cells, so we call them meiotic triple helices (MTHs). MTHs are enriched in the nucleus but not enriched in the cytoplasm. Bundles of MTHs form at the same time as SCs in wild-type cells and also in mutant cells that are unable to form SCs. These results suggest that in yeast, SCs are not crystalline and that they coexist with large, previously unreported meiotic machines.

Abstract In contrast to many eukaryotic organisms, trypanosomes only contain a single mitochondrion per cell. Within that singular mitochondrion, the protist carries a single mitochondrial genome that consists of a complex DNA network, the kinetoplast DNA (kDNA). Segregation of the replicated kDNA is coordinated by the basal body of the cell’s single flagellum. The tripartite attachment complex (TAC) forms a physical connection between the proximal end of the basal body and the kDNA. This allows anchoring of the kDNA throughout the cell cycle and couples kDNA segregation with the separation of the basal bodies prior to cell division. Over the past years, several components of the TAC have been identified. To shed light on the structure of the cytoplasmic part of the TAC (known as the exclusion zone), we performed cryo-electron tomography on whole cells. This allowed us to acquire three-dimensional high-resolution images of the exclusion zone in situ . We observed that the exclusion zone filaments offer great mechanical flexibility for basal body movement. We measured the dimensions of the individual structural elements of the area, as well as the overall orientation and positioning of the basal bodies towards the mitochondrial kDNA pocket. Using a combination of experimental data and modelling, we generated a structural model of the exclusion zone protein p197. Our findings suggest that the majority of p197 consists of a string of spectrin-like repeats. We propose that these structural units provide the architecture of a molecular spring and that they are required in the TAC to withstand the mechanical forces generated through basal body repositioning events during kDNA segregation and motility of the organism.

P-glycoprotein (ABCB1) is a ATP-binding cassette transporter that plays an important role in the removal of drugs and xenobiotic compounds from the cell. It is also associated with multi-drug resistance in cancer. Here we report novel features of the cryo-EM-derived structure of P-glycoprotein in the post-hydrolytic state: The cytosolic nucleotide-binding domains (NBDs) are separated despite ADP remaining bound to the NBDs. Gaps in the TMDs that connect to the inner hydrophilic cavity are back-filled by detergent head-groups from the annular detergent micelle and are close to two regions predicted to delineate two pseudo-symmetry-related drug-binding sites. In this conformation, the (newly-resolved) N-terminal extension, NBD-TMD linker region and gap-filling detergents all appear to impede NBD dimerisation. We propose a model for the mechanism of action of the exporter where ATP will be bound to the protein for most of the time, consistent with the high physiological ATP concentrations in vivo.