Abstract An essential requirement for the use of fluorescent dyes in biomedicine, molecular biology, biochemistry, biophysics and optical imaging is their (covalent) attachment to biomolecules. There is, however, no systematic and automated approach for the selection of suitable labeling sites in macromolecules, which is particular problematic for proteins. Here, we present a general and quantitative strategy to identify optimal residues for protein labeling using a naïve Bayes classifier. Based on a literature search and bioinformatics analysis of >100 proteins with ∼400 successfully labeled residues, we identified four parameters, which we combined into a labeling score to rank residues for their suitability as a label-site. The utility of our approach for the systematic selection of single residues and residue pairs for FRET experiments is supported by data from the literature and by new experiments on different proteins. To make the method available to a large community of researchers, we developed a python package called “labelizer”, that performs an analysis of a pdb-structure (or structural models), label score calculation, and FRET assay scoring. We further provide a webserver ( https://labelizer.bio.lmu.de/ ) to conveniently apply our approach and to build up a central open-access database of (non-)successfully labeled protein residues to continuously improve and refine the labelizer approach.

Abstract Novel biophysical tools allow the structural dynamics of proteins, and the regulation of such dynamics by binding partners, to be explored in unprecedented detail. Although this has provided critical insights into protein function, the means by which structural dynamics direct protein evolution remains poorly understood. Here, we investigated how proteins with a bilobed structure, composed of two related domains from the type-II periplasmic binding protein domain family, have undergone divergent evolution leading to modification of their structural dynamics and function. We performed a structural analysis of ~600 bilobed proteins with a common primordial structural core, which we complemented with biophysical studies to explore the structural dynamics of selected examples by single-molecule Förster resonance energy transfer and Hydrogen-Deuterium exchange mass spectrometry. We show that evolutionary modifications of the structural core, largely at its termini, enables distinct structural dynamics, allowing the diversification of these proteins into transcription factors, enzymes, and extra-cytoplasmic transport-related proteins. Structural embellishments of the core created new interdomain interactions that stabilized structural states, reshaping the active site geometry, and ultimately, altered substrate specificity. Our findings reveal an as yet unrecognized mechanism for the emergence of functional promiscuity during long periods of protein evolution and are applicable to a large number of domain architectures.

ABSTRACT The ATP-binding cassette transporter GlnPQ is an essential uptake system that transports glutamine, glutamic acid, and asparagine in Gram-positive bacteria. It features two extracytoplasmic substrate-binding domains (SBDs) that are linked in tandem to the transmembrane domain of the transporter. The two SBDs differ in their ligand specificities, binding affinities and their distance to the transmembrane domain. Here, we elucidate the effects of the tandem arrangement of the domains on the biochemical, biophysical and structural properties of the protein. For this, we determined the crystal structure of the ligand-free tandem SBD1-2 protein from L. lactis in the absence of the transporter and compared the tandem to the isolated SBDs. We also used isothermal titration calorimetry to determine the ligand-binding affinity of the SBDs and single-molecule Förster-resonance energy transfer (smFRET) to relate ligand binding to conformational changes in each of the domains of the tandem. We show that substrate binding and conformational changes are not notably affected by the presence of the adjoining domain in the wild-type protein, and changes only occur when the linker between the domains is shortened. In a proof-of-concept experiment, we combine smFRET with protein-induced fluorescence enhancement and show that a decrease in SBD linker length is observed as a linear increase in donor-brightness for SBD2 while we can still monitor the conformational states (open/closed) of SBD1. These results demonstrate the feasibility of PIFE-FRET to monitor protein-protein interactions and conformational states simultaneously. HIGHLIGHTS Resolved crystal structure of tandem SBD1-2 of GlnPQ from Lactococcus lactis Conformational states and ligand binding affinities of individual domains SBD1 and SBD2 are similar to tandem SBD1-2 No cooperative effects are seen for different ligands for SBDs in the tandem Proof of concept experiments show that PIFE-FRET can monitor SBD conformations and protein-protein interaction simultaneously

Gene expression can be noisy, as can the growth of single cells. Such cell-to-cell variation has been implicated in survival strategies for bacterial populations. However, it remains unclear how single cells couple gene expression with growth to implement these survival strategies. Here we show how noisy expression of a key stress response regulator, rpoS, allows E. coli to modulate its growth dynamics to survive future adverse environments. First, we demonstrate that rpoS has a long-tailed distribution of expression in an unstressed population of cells. We next reveal how a dynamic positive feedback loop between rpoS and growth rate produces multi-generation rpoS pulses, which are responsible for the rpoS heterogeneity. We do so experimentally with single-cell, time-lapse microscopy and microfluidics and theoretically with a stochastic model. Finally, we demonstrate the function of the coupling of heterogeneous rpoS activity and growth. It enables E. coli to survive oxidative attack by causing prolonged periods of slow growth. This dynamic phenotype is captured by the rpoS-growth feedback model. Our synthesis of noisy gene expression, growth, and survival paves the way for further exploration of functional phenotypic variability.

Abstract Ligand binding and conformational changes of biomacromolecules play a central role in the regulation of cellular processes. It is important to understand how both are coupled and what their role is in biological function. The biochemical properties, conformational states, and structural dynamics of periplasmic substrate-binding proteins (abbreviated SBPs or PBPs), which are associated with a wide range of membrane proteins, have been extensively studied over the past decades. Their ligand-binding mechanism, i.e., the temporal order of ligand-protein interactions and conformational changes, however, remains a subject of controversial discussion. We here present a biochemical and biophysical analysis of the E. coli glutamine-binding protein GlnBP concerning ligand binding and its coupling to conformational changes. For this, we used a combination of experimental techniques including isothermal titration calorimetry, single-molecule Förster resonance energy transfer, and surface-plasmon resonance spectroscopy. We found that both apo- and holo-GlnBP show no detectable exchange between open and (semi-)closed conformations on timescales between 100 ns and 10 ms. Furthermore, we also demonstrate that ligand binding and conformational changes in GlnBP are highly correlated. A global analysis of our results is consistent with a dominant induced-fit mechanism, where the ligand binds GlnBP prior to conformational rearrangements. Importantly, we suggest that the rigorous experimental and theoretical framework used here can be applied to other protein systems where the coupling mechanism of conformational changes and ligand binding is yet unclear or where doubts prevail.