Snapshots of bacteriorhodopsin Bacteriorhodopsin is a membrane protein that harvests the energy content from light to transport protons out of the cell against a transmembrane potential. Nango et al. used timeresolved serial femtosecond crystallography at an x-ray free electron laser to provide 13 structural snapshots of the conformational changes that occur in the nanoseconds to milliseconds after photoactivation. These changes begin at the active site, propagate toward the extracellular side of the protein, and mediate internal protonation exchanges that achieve proton transport. Science , this issue p. 1552

Ultrafast isomerization of retinal is the primary step in photoresponsive biological functions including vision in humans and ion transport across bacterial membranes. We used an x-ray laser to study the subpicosecond structural dynamics of retinal isomerization in the light-driven proton pump bacteriorhodopsin. A series of structural snapshots with near-atomic spatial resolution and temporal resolution in the femtosecond regime show how the excited all-trans retinal samples conformational states within the protein binding pocket before passing through a twisted geometry and emerging in the 13-cis conformation. Our findings suggest ultrafast collective motions of aspartic acid residues and functional water molecules in the proximity of the retinal Schiff base as a key facet of this stereoselective and efficient photochemical reaction.

Abstract Vision is initiated by the rhodopsin family of light-sensitive G protein-coupled receptors (GPCRs). A photon is absorbed by the 11- cis retinal chromophore of rhodopsin which isomerises within 200 femtoseconds to the all- trans conformation, thereby initiating the cellular signal transduction processes that ultimately lead to vision. However, the intramolecular mechanism by which the photoactivated retinal induces the activation events inside rhodopsin remains elusive. In this work, we use ultrafast time-resolved crystallography at room temperature to determine how an isomerised twisted all-trans retinal stores the photon energy required to initiate protein conformational changes associated with the formation of the G protein-binding signalling state. The distorted retinal at 1 ps time-delay of photoactivation has pulled away from half of its numerous interactions with its binding pocket, and the excess of the photon energy is released through an anisotropic protein breathing motion in the direction of the extracellular space. Strikingly, the very early structural motions in the protein side chains of rhodopsin appear in regions involved in later stages of the conserved Class A GPCR activation mechanism. Our work sheds light on the earliest stages of vision in vertebrates and points to fundamental aspects of the molecular mechanisms of agonist-mediated GPCR activation.

Light-oxygen-voltage (LOV) domains are small photosensory flavoprotein modules that allow the conversion of external stimuli (sunlight) into intracellular signals responsible for various cell behaviors (e.g. phototropism and chloroplast relocation). This ability relies on the light-induced formation of a covalent thioether adduct between a flavin chromophore and a reactive cysteine from the protein environment, which triggers a cascade of structural changes that result in the activation of a serine/threonine (Ser/Thr) kinase. Recent developments in time-resolved crystallography may allow the activation cascade of the LOV domain to be observed in real time, which has been elusive. In this study, we report a robust protocol for the production and stable delivery of microcrystals of the LOV domain of phototropin Phot-1 from Chlamydomonas reinhardtii (CrPhotLOV1) with a high-viscosity injector for time-resolved serial synchrotron crystallography (TR-SSX). The detailed process covers all aspects, from sample optimization to data collection, which may serve as a guide for soluble protein preparation for TR-SSX. In addition, we show that the crystals obtained preserve the photoreactivity using infrared spectroscopy. Furthermore, the results of the TR-SSX experiment provide high-resolution insights into structural alterations of CrPhotLOV1 from Δt = 2.5 ms up to Δt = 95 ms post-photoactivation, including resolving the geometry of the thioether adduct and the C-terminal region implicated in the signal transduction process.

Conformational dynamics are essential for proteins to function. Here we describe how we adapted time-resolved serial crystallography developed at X-ray lasers to visualize protein motions using synchrotrons. We recorded the structural changes upon proton pumping in bacteriorhodopsin over 200 ms in time. The snapshot from the first 5 ms after photoactivation shows structural changes associated with proton release at comparable quality to previous X-ray laser experiments. From 10-15 ms onwards we observe large additional structural rearrangements up to 9 Å on the cytoplasmic side. Rotation of Leu93 and Phe219 opens a hydrophobic barrier leading to the formation of a water chain connecting the intracellular Asp96 with the retinal Schiff base. The formation of this proton wire recharges the membrane pump with a proton for the next cycle.

Light-Oxygen-Voltage (LOV) domains are small photosensory flavoprotein modules that allow converting external stimuli (sunlight) into intracellular signals responsible for various cell behavior (e.g., phototropism and chloroplast relocation). This ability relies on the light-induced formation of a covalent thioether adduct between a flavin chromophore and a reactive cysteine from the protein environment, which triggers a cascade of structural changes that results in the activation of a serine/threonine (Ser/Thr) kinase. Recent developments in time-resolved crystallography may allow the observation of the activation cascade of the LOV domain in real-time, which has been elusive. In this study, we report a robust protocol for the production and stable delivery of microcrystals of the LOV domain of phototropin Phot-1 from Chlamydomonas reinhardtii (CrPhotLOV1) with a high-viscosity injector for time-resolved serial synchrotron crystallography (TR-SSX). The detailed process covers all aspects, from sample optimization to the actual data collection process, which may serve as a guide for soluble protein preparation for TR-SSX. In addition, we show that the obtained crystals preserve the photoreactivity using infrared spectroscopy. Furthermore, the results of the TR-SSX experiment provide high-resolution insights into structural alterations of CrPhotLOV1 from delta t = 2.5 ms up to delta t = 95 ms post-photoactivation, including resolving the geometry of the thioether adduct and the C-terminal region implicated in the signal transduction process.

X-ray free electron laser (XFEL) light sources have allowed for the rapid growth of time-resolved structural experiments, which provide crucial information on the function of biological machines and their mechanisms. We set out to commission the SwissMX fixed-target sample delivery system at the SwissFEL Cristallina experimental station using the PSI developed MISP-chip for pump-probe time-resolved experiments. To characterise the system, we used the light-sensitive protein crystals of the Light-Oxygen-Voltage domain 1 (LOV1) from Chlamydomonas reinhardtii. Using different experimental settings, the adjacent-well light contamination was carefully assessed, indicating that it is crucial to control the light scattering from solid supports otherwise significant contamination can occur. However, our results show that, after the initial experiments and parameter refinement, the opaque MISP-chips are suitable for pump-probing a light-sensitive protein. This crystallographic experiment also probed the sub-millisecond structural dynamics of the LOV1 and indicated that at a time delay of 10 microseconds the covalent thioether bond is already established between the reactive Cys57 and FMN cofactor. This experiment validated the crystals to be suitable for in-depth follow up studies of the still poorly understood signal transduction mechanism. Importantly, the fixed-target delivery system also permitted a tenfold reduction in protein sample consumption compared to the most successful system used at XFEL, the high-viscosity extruder. This development creates the prospect of an exciting increase in XFEL project throughput for the field.