Migratory songbirds have the remarkable ability to extract directional information from the Earth's magnetic field1,2. The exact mechanism of this light-dependent magnetic compass sense, however, is not fully understood. The most promising hypothesis focuses on the quantum spin dynamics of transient radical pairs formed in cryptochrome proteins in the retina3-5. Frustratingly, much of the supporting evidence for this theory is circumstantial, largely because of the extreme challenges posed by genetic modification of wild birds. Drosophila has therefore been recruited as a model organism, and several influential reports of cryptochrome-mediated magnetic field effects on fly behaviour have been widely interpreted as support for a radical pair-based mechanism in birds6-23. Here we report the results of an extensive study testing magnetic field effects on 97,658 flies moving in a two-arm maze and on 10,960 flies performing the spontaneous escape behaviour known as negative geotaxis. Under meticulously controlled conditions and with vast sample sizes, we have been unable to find evidence for magnetically sensitive behaviour in Drosophila. Moreover, after reassessment of the statistical approaches and sample sizes used in the studies that we tried to replicate, we suggest that many-if not all-of the original results were false positives. Our findings therefore cast considerable doubt on the existence of magnetic sensing in Drosophila and thus strongly suggest that night-migratory songbirds remain the organism of choice for elucidating the mechanism of light-dependent magnetoreception.

Abstract Surface layers (S-layers) are resilient two-dimensional protein lattices that encapsulate many bacteria and most archaea. In archaea, S-layers usually form the only structural component of the cell wall and thus act as the final frontier between the cell and its environment. Therefore, S-layers are crucial for supporting microbial life. Notwithstanding their importance, little is known about archaeal S-layers at the atomic level. Here, we combined single particle cryo electron microscopy (cryoEM), cryo electron tomography (cryoET) and Alphafold2 predictions to generate an atomic model of the two-component S-layer of Sulfolobus acidocaldarius . The outer component of this S-layer (SlaA) is a flexible, highly glycosylated, and stable protein. Together with the inner and membrane-bound component (SlaB), they assemble into a porous and interwoven lattice. We hypothesize that jackknife-like conformational changes, as well as pH-induced alterations in the surface charge of SlaA, play important roles in S-layer assembly.

Birds appear to be equipped with a light-dependent, radical-pair-based magnetic compass that relies on truly quantum processes. While the identity of the sensory protein has remained speculative, cryptochrome 4 has recently been identified as the most auspicious candidate. Here, we report on all-atom molecular dynamics (MD) simulations addressing the structural reorganisations that accompany the photoreduction of the flavin cofactor in a model of the European robin cryptochrome 4 (ErCry4). Extensive MD simulations reveal that the photo-activation of ErCry4 induces large-scale conformational changes on short (hundreds of nanoseconds) timescales. Specifically, the photo-reduction is accompanied with the release of the C-terminal tail, structural rearrangements in the vicinity of the FAD-binding site, and the noteworthy formation of an α-helical segment at the N-terminal part. Some of these rearrangements appear to expose potential phosphorylation sites. We describe the conformational dynamics of the protein using a graph-based approach that is informed by the adjacency of residues and the correlation of their local motions. This approach reveals densely coupled reorganisation communities, which facilitate an efficient signal transduction due to a high density of hubs. These communities are interconnected by a small number of highly important residues characterized by high betweenness centrality. The network approach clearly identifies the sites restructuring upon photo-activation, which appear as protrusions or delicate bridges in the reorganisation network. We also find that, unlike in the homologous cryptochrome from D. melanogaster, the release of the C-terminal domain does not appear to be correlated with the transposition of a histidine residue close to the FAD cofactor.

Magnetoreception, the ability to sense magnetic fields, is widespread in animals but remains poorly understood. The leading model links this ability in migratory birds to the photo-activation of the protein cryptochrome. Magnetic information is thought to induce structural changes in cryptochrome via a transient radical pair intermediate. This signal transduction pathway has been the subject of previous all-atom molecular dynamics (MD) simulations, but insights were limited to short timescales and equilibrium structures. To address this, we developed a non-equilibrium coarse-grained MD simulation approach, exploring cryptochrome's photo-reduction over 20 replicates of 20 µs each. Our results revealed significant structural changes across the protein, with an overall time constant of 3 µs. The C-terminal (CT) region responded on a timescale of 4.7 µs, followed by the EEE-motif, while the phosphate binding loop (PBL) showed slower dynamics (9 µs). Network analysis highlighted direct pathways connecting the tryptophan tetrad to the CT, and distant pathways involving the EEE and PBL regions. The CT-dynamics are significantly impacted by a rearrangement of tryptophan residues in the central electron transfer chain. Our findings underscore the importance of considering longer timescales when studying cryptochrome magnetoreception and highlight the potential of non-equilibrium coarse-grained MD simulations as a powerful tool to unravel protein photoactivation reactions.Graphical abstract