Abstract Ribonucleotide reductase (RNR) catalyzes the only known de-novo pathway for production of all four deoxyribonucleotides required for DNA synthesis. In aerobic RNRs, a di-nuclear metal site is viewed as an absolute requirement for generating and stabilizing an essential catalytic radical. Here we describe a new group of RNRs found in Mollicutes, including Mycoplasma pathogens, that possesses a metal-independent stable radical residing on a modified tyrosyl residue. Structural, biochemical and spectroscopic characterization reveal a stable DOPA radical species that directly supports ribonucleotide reduction in vitro and in vivo . The cofactor synthesis and radical generation processes are fundamentally different from established RNRs and require the flavoprotein NrdI. Several of the pathogens encoding this RNR variant are involved in diseases of the urinary tract and genitalia. Conceivably, this remarkable RNR variant provides an advantage under metal starvation induced by the immune system. We propose that the new RNR subclass is denoted class Ie.

Abstract Microcrystal electron diffraction (MicroED) has the potential to considerably impact the field of structural biology. Indeed, the method can solve atomic structures of a wide range of molecules, beyond the reach of single particle cryo-electron microscopy, exploiting crystals too small for X-ray diffraction (XRD) even using X-ray free-electron lasers. However, until the first unknown protein structure – a R2-like ligand-binding oxidase from Sulfolobus acidocaldarius ( Sa R2lox) – was recently solved at 3.0 Å resolution, MicroED had only been used to study known protein structures previously obtained by XRD. Here, after adapting sample preparation protocols, the structure of the Sa R2lox protein originally solved by MicroED was redetermined by XRD at 2.1 Å resolution. In light of the higher resolution XRD data and taking into account experimental differences of the methods, the quality of the MicroED structure is examined. The analysis demonstrates that MicroED provided an overall accurate model, revealing biologically relevant information specific to Sa R2lox, such as the absence of an ether cross-link, but did not allow to detect the presence of a ligand visible by XRD in the protein binding pocket. Furthermore, strengths and weaknesses of MicroED compared to XRD are discussed in the perspective of this real-life protein example. The study provides fundaments to help MicroED become a method of choice for solving novel protein structures. Synopsis The first unknown protein structure solved by microcrystal electron diffraction (MicroED) was recently published. The redetermination by X-ray diffraction of this protein structure provides new insights into the strengths and weaknesses of the promising MicroED method.

Cryo-electron microscopy (cryo-EM) has made great impacts on structural biology. However, specimen preparation remains a major bottleneck. Here, we report a simple method for preparing cryo-EM specimens, named Preassis, in which the excess liquid is removed by introducing a pressure gradient through the EM grid. We show the unique advantages of Preassis in handling samples with low concentrations of protein single particles and micro-crystals in a wide range of buffer conditions.

Micro-crystal electron diffraction (MicroED) has recently shown potential for structural biology. It enables studying biomolecules from micron-sized 3D crystals that are too small to be studied by conventional X-ray crystallography. However, to the best of our knowledge, MicroED has only been applied to re-determine protein structures that had already been solved previously by X-ray diffraction. Here we present the first unknown protein structure — an R2lox enzyme — solved using MicroED. The structure was phased by molecular replacement using a search model of 35% sequence identity. The resulting electrostatic scattering potential map at 3.0 Å resolution was of sufficient quality to allow accurate model building and refinement. Our results demonstrate that MicroED has the potential to become a widely applicable tool for revealing novel insights into protein structure and function, opening up new opportunities for structural biologists.

Abstract Redox reactions are central to biochemistry and are both controlled by and induce protein structural changes. Here we describe structural rearrangements and crosstalk within the Bacillus cereus ribonucleotide reductase R2b-NrdI complex, a di-metal carboxylate- flavoprotein system, as part of the mechanism generating the essential catalytic free radical of the enzyme. Femtosecond crystallography at an X-ray free-electron laser was utilized to obtain structures at room temperature in defined redox states without suffering photoreduction. We show that the flavin in the hydroquinone state is under steric strain in the R2b-NrdI protein complex, presumably tuning its redox potential to promote superoxide generation. Moreover, a binding site in close vicinity to the expected flavin O 2 -interacton site is observed to be controlled by the redox state of the flavin and linked to the channel proposed to funnel the produced superoxide species from NrdI to the di-manganese site in protein R2b. These specific features are coupled to further structural changes around the R2b- NrdI interaction surface. The mechanistic implications for the control of reactive oxygen species and radical generation in protein R2b are discussed.