Abstract The COVID19 pandemic has resulted in 25+ million reported infections and nearly 850.000 deaths. Research to identify effective therapies for COVID19 includes: i) designing a vaccine as future protection; ii) structure-based drug design; and iii) identifying existing drugs to repurpose them as effective and immediate treatments. To assist in drug repurposing and design, we determined two apo structures of Severe Acute Respiratory Syndrome CoronaVirus-2 main protease at ambienttemperature by Serial Femtosecond X-ray crystallography. We employed detailed molecular simulations of selected known main protease inhibitors with the structures and compared binding modes and energies. The combined structural biology and molecular modeling studies not only reveal the dynamics of small molecules targeting main protease but will also provide invaluable opportunities for drug repurposing and structure-based drug design studies against SARS-CoV-2. One Sentence Summary Radiation-damage-free high-resolution SARS-CoV-2 main protease SFX structures obtained at near-physiological-temperature offer invaluable information for immediate drug-repurposing studies for the treatment of COVID19.

ABSTRACT Multimeric protein assemblies are abundant in nature. Streptavidin is an attractive protein that provides a paradigm system to investigate the intra- and intermolecular interactions of multimeric protein complexes. Also, it offers a versatile tool for biotechnological applications. Here, we present two apo-streptavidin structures, the first one is an ambient temperature Serial Femtosecond X-ray crystal (Apo-SFX) structure at 1.7 Å resolution and the second one is a cryogenic crystal structure (Apo-Cryo) at 1.1 Å resolution. These structures are mostly in agreement with previous structural data. Combined with computational analysis, these structures provide invaluable information about structural dynamics of apo streptavidin. Collectively, these data further reveal a novel cooperative allostery of streptavidin which binds to substrate via water molecules that provide a polar interaction network and mimics the substrate biotin which displays one of the strongest affinities found in nature.

Abstract In this study, we follow the diffusion and buildup of occupancy of the substrate ceftriaxone in M. tuberculosis β-lactamase BlaC microcrystals by structural analysis of the enzyme substrate complex at single millisecond time resolution. We also show the binding and the reaction of an inhibitor, sulbactam, on a slower millisecond time scale. We use the ‘mix-and-inject’ technique to initiate these reactions by diffusion, and determine the resulting structures by serial crystallography using ultrafast, intense X-ray pulses from the European XFEL (EuXFEL) arriving at MHz repetition rates. Here, we show how to use the EuXFEL pulse structure to dramatically increase the size of the data set and thereby the quality and time resolution of “molecular movies” which unravel ligand binding and enzymatically catalyzed reactions. This shows the great potential for the EuXFEL as a tool for biomedically relevant research, particularly, as shown here, for investigating bacterial antibiotic resistance. One Sentence Summary Direct observation of fast ligand binding in a biomedically relevant enzyme at near atomic resolution with MHz X-ray pulses at the European XFEL.

RNA macromolecules, like proteins, fold to assume shapes that are intimately connected to their broadly recognized biological functions; however, because of their high charge and dynamic nature, RNA structures are far more challenging to determine. We introduce an approach that exploits the high brilliance of x-ray free electron laser sources to reveal the formation and ready identification of Å scale features in structured and unstructured RNAs. New structural signatures of RNA secondary and tertiary structures are identified through wide angle solution scattering experiments. With millisecond time resolution, we observe an RNA fold from a dynamically varying single strand through a base paired intermediate to assume a triple helix conformation. While the backbone orchestrates the folding, the final structure is locked in by base stacking. In addition to understanding how RNA triplexes form and thereby function as dynamic signaling elements, this new method can vastly increase the rate of structure determination for these biologically essential, but mostly uncharacterized macromolecules.

Ever since the first atomic structure of an enzyme was solved, the discovery of the mechanism and dynamics of reactions catalyzed by biomolecules has been the key goal for the understanding of the molecular processes that drive life on earth. Despite a large number of successful methods for trapping reaction intermediates, the direct observation of an ongoing reaction has been possible only in rare and exceptional cases. Here, we demonstrate a general method for capturing enzyme catalysis in-action by mix-and-inject serial crystallography. Specifically, we follow the catalytic reaction of the Mycobacterium tuberculosis beta-lactamase with the 3rd generation antibiotic ceftriaxone by time-resolved serial femtosecond crystallography. The results reveal, in near atomic detail, antibiotic cleavage and inactivation on the millisecond to second time scales including the crossover from transition state kinetics to steady-state kinetics.

Abstract For decades, researchers have been determined to elucidate essential enzymatic functions on the atomic lengths scale by tracing atomic positions in real time. Our work builds on new possibilities unleashed by mix-and-inject serial crystallography (MISC) 1-5 at X-ray free electron laser facilities. In this approach, enzymatic reactions are triggered by mixing substrate or ligand solutions with enzyme microcrystals 6 . Here, we report in atomic detail and with millisecond time-resolution how the Mycobacterium tuberculosis enzyme BlaC is inhibited by sulbactam (SUB). Our results reveal ligand binding heterogeneity, ligand gating 7-9 , cooperativity, induced fit 10,11 and conformational selection 11-13 all from the same set of MISC data, detailing how SUB approaches the catalytic clefts and binds to the enzyme non-covalently before reacting to a trans- enamine. This was made possible in part by the application of the singular value decomposition 14 to the MISC data using a newly developed program that remains functional even if unit cell parameters change during the reaction.