Watching proteins' weight Careful measurements of light scattering can provide information on individual macromolecules and complexes. Young et al. used a light-scattering approach for accurate mass determination of proteins as small as 20 kDa (see the Perspective by Lee and Klenerman). Movies of protein complex association and dissociation were analyzed to extract biophysical parameters from single molecules and assemblies without labeling. Using this approach, the authors determined in vitro kinetics of fibril and aggregate growth and association constants for a complex protein-glycoprotein assembly. Science , this issue p. 423 ; see also p. 378

Viral entry is mediated by oligomeric proteins on the virus and cell surfaces. The association is therefore open to multivalent interactions between these proteins, yet such recognition is typically rationalised as affinity between monomeric equivalents. As a result, assessment of the thermodynamic mechanisms that control viral entry has been limited. Here, we use mass photometry to overcome the analytical challenges consequent to multivalency. Examining the interaction between the spike protein of SARS-CoV-2 and the ACE2 receptor, we find that ACE2 induces oligomerisation of spike in a variant- dependent fashion. We also demonstrate that patient-derived antibodies use induced-oligomerisation as a primary inhibition mechanism or to enhance the effects of receptor-site blocking. Our results reveal that naive affinity measurements are poor predictors of potency, and introduce a novel antibody-based inhibition mechanism for oligomeric targets.

Integral membrane proteins (IMPs) are biologically highly significant but challenging to study because they require maintaining a cellular lipid - like environment. Here, we explore the application of mass photometry (MP) to IMPs and membrane mimetic systems at the single particle level. We apply MP to amphipathic vehicles, such as detergents and amphipols, as well as to lipid and native nanodiscs, characterising the particle size, sample purity and heterogeneity. Using methods established for cryogenic electron microscopy, we eliminate detergent background, enabling high - resolution studies of membrane protein structure and interactions. We find evidence that, when extracted from native membranes using native styrene - maleic acid nanodiscs, the potassium channel KcsA is present as a dimer of tetramers - in contrast to results obtained using detergent purification. Finally, using lipid nanodiscs, we show that MP can help distinguish between functional and non - functional nanodisc assemblies, as well as determine the critical factors for lipid nanodisc formation.

Which isoforms of apolipoprotein E (apoE) we inherit determine our risk of developing late-onset Alzheimer's Disease (AD), but the mechanism underlying this link is poorly understood. In particular, the relevance of direct interactions between apoE and amyloid-β (Aβ) remains controversial. Here, single-molecule imaging shows that all isoforms of apoE associate with Aβ in the early stages of aggregation and then fall away as fibrillation happens. ApoE-Aβ co-aggregates account for ~50% of the mass of diffusible Aβ aggregates detected in the frontal cortices of homozygotes with the higher-risk APOE4 gene. We show how dynamic interactions between apoE and Aβ tune disease-related functions of Aβ aggregates throughout the course of aggregation. Our results connect inherited APOE genotype with the risk of developing AD by demonstrating how, in an isoform- and lipidation-specific way, apoE modulates the aggregation, clearance and toxicity of Aβ. Selectively removing non-lipidated apoE4-Aβ co-aggregates enhances clearance of toxic Aβ by glial cells, and reduces secretion of inflammatory markers and membrane damage, demonstrating a clear path to AD therapeutics.

The cellular processes underpinning life are orchestrated by proteins and their interactions. Structural and dynamic heterogeneity, despite being key to protein and drug function, continues to pose a fundamental challenge to existing analytical and structural methodologies used to study these associations. Here, we use interferometric scattering microscopy to mass-image single biomolecules in solution with <2% mass error, up to 19-kDa resolution and 1-kDa precision. Thereby, we resolve oligomeric distributions at high dynamic range, detect small-molecule binding, and mass-image biomolecules composed not only of amino acids, but also heterogeneous species, such as lipo- and glycoproteins. These capabilities enable us to characterize the molecular mechanisms of processes as diverse as oligomeric self-assembly, glycoprotein cross-linking, amyloidogenic protein aggregation, and actin polymerization. Interferometric scattering mass spectrometry (iSCAMS) provides spatially resolved access to the dynamics of biomolecular interactions ranging from those involving small molecules to mesoscopic assemblies, one molecule at a time.

Determining the structure-function relationships of protein aggregates is a fundamental challenge in biology. These aggregates, whether formed in vitro, within cells, or in living organisms, present significant heterogeneity in their molecular features such as size, structure, and composition, making it difficult to determine how their structure influences their functions. Interpreting how these molecular features translate into functional roles is crucial for understanding cellular homeostasis and the pathogenesis of various debilitating diseases like Alzheimer's and Parkinson's. In this study, a bottom-up approach is introduced to explore how variations in protein aggregates' size, composition, post-translational modifications and point mutations profoundly influence their biological functions. Applying this method to Alzheimer's and Parkinson's associated proteins, novel disease-relevant pathways are uncovered, demonstrating how subtle alterations in composition and morphology can shift the balance between healthy and pathological states. This findings provide deeper insights into the molecular basis of protein's functions at the single-aggregate level, enhancing the knowledge of their roles in health and disease.