Improved electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) are critical for the advancement of fuel cell technologies. Herein, we report a series of 11 soluble iron porphyrin ORR electrocatalysts that possess turnover frequencies (TOFs) from 3 s-1 to an unprecedented value of 2.2 × 106 s-1. These TOFs correlate with the ORR overpotential, which can be modulated by changing the E1/2 of the catalyst using different ancillary ligands, by changing the solvent and solution acidity, and by changing the catalyst's protonation state. The overpotential is well-defined for these homogeneous electrocatalysts by the E1/2 of the catalyst and the proton activity of the solution. This is the first such correlation for homogeneous ORR electrocatalysis, and it demonstrates that the remarkably fast TOFs are a consequence of high overpotential. The correlation with overpotential is surprising since the turnover limiting steps involve oxygen binding and protonation, as opposed to turnover limiting electron transfer commonly found in Tafel analysis of heterogeneous ORR materials. Computational studies show that the free energies for oxygen binding to the catalyst and for protonation of the superoxide complex are in general linearly related to the catalyst E1/2, and that this is the origin of the overpotential correlations. This analysis thus provides detailed understanding of the ORR barriers. The best catalysts involve partial decoupling of the influence of the second coordination sphere from the properties of the metal center, which is suggested as new molecular design strategy to avoid the limitations of the traditional scaling relationships for these catalysts.

SUCROSE-NON-FERMENTING1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1), a central plant metabolic sensor kinase, phosphorylates its target proteins, triggering a global shift from anabolism to catabolism. Molecular modeling revealed that upon binding of KIN10 to GEMINIVIRUS REP-INTERACTING KINASE1 (GRIK1), KIN10’s activation T-loop reorients into GRIK1’s active site, enabling its phosphorylation and activation. Trehalose 6-phosphate (T6P) is a proxy for cellular sugar status and a potent inhibitor of SnRK1. T6P binds to KIN10, a SnRK1 catalytic subunit, weakening its affinity for GRIK1. Here, we investigate the molecular details of T6P inhibition of KIN10. Molecular dynamics simulations and in vitro phosphorylation assays identified and validated the T6P binding site on KIN10. Under high-sugar conditions, T6P binds to KIN10, blocking the reorientation of its activation loop and preventing its phosphorylation and activation by GRIK1. Under these conditions, SnRK1 maintains only basal activity levels, minimizing phosphorylation of its target proteins, thereby facilitating a general shift from catabolism to anabolism.

Iron–sulfur clusters are crucial for biological electron transport and catalysis. Obtaining accurate geometries, energetics, manifolds of their excited electronic states, and reduction energies is important to understand their role in these processes. Using a [2Fe–2S] model complex with FeII and FeIII oxidation states, which leads to different charges, i.e., [Fe2S2(SMe)4]2–,3–,4–, we benchmarked a variety of computational methodologies ranging from density functional theory (DFT) to post-Hartree–Fock methods, including complete active space self-consistent field (CASSCF), multireference configuration interaction, the second-order N-electron valence state perturbation theory (NEVPT2), and the linearized integrand approximation of adiabatic connection (AC0) approaches. Additionally, we studied three experimentally well-characterized complexes, [Fe2S2(SCys)4]2–, [Fe2S2(S-o-tol)4]2–, and [Fe2S2(S-o-xyl)4]2–, via DFT methods. We conclude that the dynamic electron correlation is important for accurately predicting the geometry of these complexes. Broken symmetry (BS) DFT correctly predicts experimental geometries of low-spin multiplicity, while CASSCF does not. However, BS-DFT significantly overestimates the difference between the low- and high-spin electronic states for a given oxidation state. At the same time, CASSCF underestimates it but provides relative energies closer to the reference NEVPT2 results. Finally, AC0 provides energetics of NEVPT2 quality with the additional advantage of being able to use large CASSCF sizes. NEVPT2 gives the best estimates of the FeIII/FeIII → FeII/FeIII (4.27 eV) and FeII/FIII → FeII/FII (7.72 eV) reduction energies. The results provide insight into the electronic structure of these complexes and assist in the understanding of their physical properties.

Abstract Fatty acids and their derivatives continue to garner attention as sustainable alternatives to petrochemically derived materials. Towards this goal, we examine the plant membrane-bound fatty acid desaturases (FADs) and develop an overview of their 3D structure and phylogenic relationships. Through this effort we developed two plant fatty acid desaturase homology models that we analyzed with substrate docking and molecular dynamics simulations to better understand the diiron binding pocket that is characteristic of these proteins. The comparison between the Omega6 and Delta12 homology models specifically in regards to the binding affinity as a function of carbon chain length indicates that there is a dip in binding affinity near the 18:2 carbon chain length but the rest maintain a rather consistent binding affinity throughout. Furthermore, MD analysis highlights the importance of regions within the cytosolic cap domain on the binding pocket. PACS: 0000, 1111 2000 MSC: 0000, 1111 Graphical Abstract Highlights Developed pipeline to predict function from protein sequence Modeled two fatty acid desaturases and predicted their structure and functions Leveraged docking simulations and molecular dynamics to confirm protein function

ABSTRACT Methyl-coenzyme M reductase (MCR) catalyzes both synthesis and anaerobic oxidation of methane (AOM). Its catalytic site contains Ni at the core of Cofactor F 430 . The Ni ion, in its low-valent Ni(I) state lights the fuse leading to homolysis of the C-S bond of methyl-coenzyme M (methyl-SCoM) to generate a methyl radical, which abstracts a hydrogen atom from Coenzyme B (HSCoB) to generate methane and the mixed disulfide CoMSSCoB. Direct reversal of this reaction activates methane to initiate anaerobic methane oxidation. Based on crystal structures, which reveal a Ni-thiol interaction between Ni(II)-MCR and inhibitor CoMSH, a Ni(I)-thioether complex with substrate methyl-SCoM has been transposed to canonical MCR mechanisms. Similarly, a Ni(I)-disulfide with CoMSSCoB is proposed for the reverse reaction. However, this Ni(I)-sulfur interaction poses a conundrum for the proposed hydrogen atom abstraction reaction because the >6 Å distance between the thiol group of SCoB and the thiol of SCoM observed in the structures appears too long for such a reaction. Spectroscopic, kinetic, structural and computational studies described here establish that both methyl-SCoM and CoMSSCoB bind to the active Ni(I) state of MCR through their sulfonate groups, forming a hexacoordinate Ni(I)-N/O complex, not Ni(I)-S. These studies rule out direct Ni(I)-sulfur interactions in both substrate-bound states. As a solution to the mechanistic conundrum, we propose that both forward and reverse MCR reactions emanate through long-range electron transfer from Ni(I)-sulfonate complexes with methyl-SCoM or CoMSSCoB, respectively.

We demonstrate that active site ensembles on transition metal phosphides tune the selectivity of the nitrate reduction reaction. Using Ni