The aggregation of proteins is central to many aspects of daily life, including food processing, blood coagulation, eye cataract formation disease and prion-related neurodegenerative infections. However, the physical mechanisms responsible for amyloidosis-the irreversible fibril formation of various proteins that is linked to disorders such as Alzheimer's, Creutzfeldt-Jakob and Huntington's diseases-have not yet been fully elucidated. Here, we show that different stages of amyloid aggregation can be examined by performing a statistical polymer physics analysis of single-molecule atomic force microscopy images of heat-denatured beta-lactoglobulin fibrils. The atomic force microscopy analysis, supported by theoretical arguments, reveals that the fibrils have a multistranded helical shape with twisted ribbon-like structures. Our results also indicate a possible general model for amyloid fibril assembly and illustrate the potential of this approach for investigating fibrillar systems.

Abstract Nanocellulose fibrils are ubiquitous in nature and nanotechnologies but their mesoscopic structural assembly is not yet fully understood. Here we study the structural features of rod-like cellulose nanoparticles on a single particle level, by applying statistical polymer physics concepts on electron and atomic force microscopy images, and we assess their physical properties via quantitative nanomechanical mapping. We show evidence of right-handed chirality, observed on both bundles and on single fibrils. Statistical analysis of contours from microscopy images shows a non-Gaussian kink angle distribution. This is inconsistent with a structure consisting of alternating amorphous and crystalline domains along the contour and supports process-induced kink formation. The intrinsic mechanical properties of nanocellulose are extracted from nanoindentation and persistence length method for transversal and longitudinal directions, respectively. The structural analysis is pushed to the level of single cellulose polymer chains, and their smallest associated unit with a proposed 2 × 2 chain-packing arrangement.

Adaptable hydrogel networks with reversible connectivity have emerged as a promising platform for biomedical applications. Synthetic copolymers and low-molecular-weight gelators (LMWG) have been shown to form reversible hydrogels through self-assembly of the molecules driven by self-complementary hydrophobic interaction and hydrogen bonding. Here, inspired by the adhesive proteins secreted by mussels, we found that simply adding natural polyphenols, such as epigallocatechin gallate (EGCG) to amyloid fibrils present in the nematic phase, successfully drives the formation of hydrogels through self-assembly of the hybrid supramolecules. The hydrogels show birefringence under polarized light, indicating that the nematic orientation is preserved in the gel phase. Gel stiffness enhances with incubation time and with an increase in molecular ratios between polyphenol and fibrils, fibril concentration, and pH. The hydrogels are shear thinning and thermostable from 25 to 90 °C without any phase transition. The integrity of the trihydroxyl groups, the gallate ester moiety in EGCG, and the hydrophobicity of the polyphenols govern the interactions with the amyloid fibrils and thus the properties of the ensuing hydrogels. The EGCG-binding amyloid fibrils, produced from lysozyme and peptidoglycans, retain the main binding functions of the enzyme, inducing bacterial agglomeration and immobilization on both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Furthermore, the antibacterial mechanism of the lysozyme amyloid fibril hydrogels is initiated by membrane disintegration. In combination with the lack of cytotoxicity to human colonic epithelial cells demonstrated for these hybrid supramolecules, a potential role in combating multidrug-resistant bacteria in biomedical applications is suggested, such as in targeting diseases related to infection of the small intestine.

We report a new strategy for efficient removal of F- from contaminated water streams, and it relies on carbon hybrid membranes made of amyloid fibril/ZrO2 nanoparticles (<10 nm). These membranes exhibit superior selectivity for F- against various competitive ions, with a distribution coefficient (Kd ) as high as 6820 mL g-1 , exceeding commercial ion-exchange resins (IRA-900) by 180 times and outdoing the performance of most commercial carbon-activated aluminum membranes. At both low and high (ca. 200 mg L-1 ) F- concentrations, the membrane efficiency exceeds 99.5 % removal. For real untreated municipal tap water (ca. 2.8 mg L-1 ) under continuous operating mode, data indicates that about 1750 kg water m-2 membrane can be treated while maintaining drinking water quality, and the saturated membranes can be regenerated and reused several times without decrease in performance. This technology is promising for mitigating the problem of fluoride water contamination worldwide.

We present an original application of a new atomic force microscopy mode called peak force tapping for the investigation of the mechanical properties of β-lactoglobulin amyloid fibrils. The values of Young’s modulus obtained by this technique are in perfect agreement with the indirect evaluation of fibrils stiffness obtained by combining polymer physics and topological statistical analysis on fibrils’ structural conformations. This technique shows great promise in the estimation of the elastic properties of nanostructured objects relevant in biology, soft matter, and nanotechnology.

Introductory paragraph The ability of gut bacterial pathogens to escape immunity by antigenic variation, particularly via changes to surface-exposed antigens, is a major barrier to immune clearance 1 . However, not all variants are equally fit in all environments 2, 3 . It should therefore be possible to exploit such immune escape mechanisms to direct an evolutionary trade-off. Here we demonstrated this phenomenon using Salmonella enterica subspecies enterica serovar Typhimurium ( S. Tm). A dominant surface antigen of S. Tm is its O-antigen: A long, repetitive glycan that can be rapidly varied by mutations in biosynthetic pathways or by phase-variation 4, 5 . We quantified the selective advantage of O-antigen variants in the presence and absence of O-antigen specific IgA and identified a set of evolutionary trajectories allowing immune escape without an associated fitness cost in naïve mice. Through the use of oral vaccines, we rationally induced IgA responses blocking all of these trajectories, which selected for Salmonella mutants carrying deletions of the O-antigen polymerase wzyB. Due to their short O-antigen, these evolved mutants were more susceptible to environmental stressors (detergents, complement), predation (bacteriophages), and were impaired in gut colonization and virulence in mice. Therefore, a rationally induced cocktail of intestinal antibodies can direct an evolutionary trade-off in S. Tm. This lays the foundations for the exploration of mucosal vaccines capable of setting evolutionary traps as a prophylactic strategy.

Abstract Secreted immunoglobulins, predominantly SIgA, influence the colonization and pathogenicity of mucosal bacteria. While part of this effect can be explained by SIgA-mediated bacterial aggregation, we have an incomplete picture of how SIgA binding influences cells independently of aggregation. Here we show that akin to microscale crosslinking of cells, SIgA targeting the Salmonella Typhimurium O-antigen extensively crosslinks the O-antigens on the surface of individual bacterial cells at the nanoscale. This crosslinking results in an essentially immobilized bacterial outer membrane. Membrane immobilization, combined with Bam-complex mediated outer membrane protein insertion results in biased inheritance of IgA-bound O-antigen, concentrating SIgA-bound O-antigen at the oldest poles during cell growth. By combining empirical measurements and simulations, we show that this SIgA-driven biased inheritance increases the rate at which phase-varied daughter cells become IgA-free: a process that can accelerate IgA escape via phase-variation of O-antigen structure. Our results show that O-antigen-crosslinking by SIgA impacts workings of the bacterial outer membrane, helping to mechanistically explain how SIgA may exert aggregation-independent effects on individual microbes colonizing the mucosae.