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.

Abstract The binding and release of ligands from their protein targets is central to fundamental biological processes as well as to drug discovery. Photopharmacology introduces chemical triggers that allow the changing of ligand affinities and thus biological activity by light. Insight into the molecular mechanisms of photopharmacology is largely missing because the relevant transitions during the light-triggered reaction cannot be resolved by conventional structural biology. Using time-resolved serial crystallography at a synchrotron and X-ray free-electron laser, we captured the release of the anti-cancer compound azo-combretastatin A4 and the resulting conformational changes in tubulin. Nine structural snapshots from 1 ns to 100 ms complemented by simulations show how cis -to- trans isomerization of the azobenzene bond leads to a switch in ligand affinity, opening of an exit channel, and collapse of the binding pocket upon ligand release. The resulting global backbone rearrangements are related to the action mechanism of microtubule-destabilizing drugs.

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.