Ice-nucleating organisms play important roles in the environment. With their ability to induce ice formation at temperatures just below the ice melting point, bacteria such as Pseudomonas syringae attack plants through frost damage using specialized ice-nucleating proteins. Besides the impact on agriculture and microbial ecology, airborne P. syringae can affect atmospheric glaciation processes, with consequences for cloud evolution, precipitation, and climate. Biogenic ice nucleation is also relevant for artificial snow production and for biomimetic materials for controlled interfacial freezing. We use interface-specific sum frequency generation (SFG) spectroscopy to show that hydrogen bonding at the water-bacteria contact imposes structural ordering on the adjacent water network. Experimental SFG data and molecular dynamics simulations demonstrate that ice-active sites within P. syringae feature unique hydrophilic-hydrophobic patterns to enhance ice nucleation. The freezing transition is further facilitated by the highly effective removal of latent heat from the nucleation site, as apparent from time-resolved SFG spectroscopy.

Abstract Ice-nucleation active (INA) bacteria can promote the growth of ice more effectively than any other known material. Utilizing specialized ice-nucleating proteins (INPros), they obtain nutrients from plants by inducing frost damage and, when airborne in the atmosphere, they drive ice nucleation within clouds and may affect global precipitation patterns. Despite their evident environmental importance, the molecular mechanisms behind INPro-induced freezing have remained largely elusive. In the present study, we investigated the folding and the structural basis for interactions between water and the ice-nucleating protein InaZ from the INA bacterium Pseudomonas syringae strain R10.79. Using vibrational sum-frequency generation and two-dimensional infrared spectroscopy, we demonstrate that the ice-active repeats of InaZ adopt a β-helical structure in solution and at water surfaces. In this configuration, hydrogen bonding between INPros and water molecules imposes structural ordering on the adjacent water network. The observed order of water increases as the interface is cooled to temperatures close to the melting point of water. Experimental SFG data combined with spectral calculations and molecular-dynamics simulations shows that the INPro reorients at lower temperatures. We suggest that the reorientation can enhance order-inducing water interactions and, thereby, the effectiveness of ice nucleation by InaZ.

Abstract The mechanical properties of biomaterials are dictated by the interactions and conformations of their building blocks, typically proteins. Although the macroscopic behaviour of biomaterials is widely studied, our understanding of the underlying molecular properties is generally limited. Among the non-invasive and label-free methods to investigate molecular structures, infrared spectroscopy is one of the most commonly used tools, because the absorption bands of the amide groups strongly depend on protein secondary structure. However, spectral congestion usually complicates the analysis of the amide spectrum. Here, we apply polarized two-dimensional (2D) infrared spectroscopy (IR) to directly identify the protein secondary structures in native silk filks cast from Bombyx mori silk feedstock. Without any additional analysis, such as peak fitting, we find that the initial effect of hydration is an increase of the random-coil content at the expense of the α -helix content, while the β -sheet content is unchanged, and only increases at a later stage. This paper demonstrates that 2D-IR can be a valuable tool for characterizing biomaterials.

Urea is believed to have been essential to the synthesis of prebiotic nucleotides and thereby the RNA or DNA of the first lifeforms. Models suggesting that life began in wet-dry cycles around shallow aquatic ponds imply that reactants such as urea were exposed to deep ultraviolet irradiation from the young sun. Detrimental photodissociation of urea induced by deep UV excitation potentially challenges these models. We here follow the primary deep ultraviolet photochemistry of aqueous urea. The data show that urea is barely excited at 200 nm due to weak ultraviolet absorption. The likelihood of photodissociation is further reduced by strong intra-molecular coupling of the CN and CO stretch vibrations accompanied by an efficient dissipation of the excitation energy to the surrounding water molecules mitigated by urea-water hydrogen bonds. We find that 54±5 % of the excited urea molecules dissociate. Reactions between the photoproducts and surrounding solvent molecules form carbamic acid or the carbamate anions within 0.6 ps. The molecules that do not dissociate return to the electronic ground state in 2 ps. Interestingly, the photodissociation processes of urea in the aqueous phase is different from earlier reported reactions observed following the VUV photolysis of urea in noble gas matrices and highlight the potential influence of water on the prebiotic photochemistry.

Diatoms, unicellular marine organisms, harness short peptide repeats of the protein silaffin to transform silicic acid into biosilica nanoparticles.

The development of methods that allow a structural interpretation of linear and non-linear vibrational spectra is of great importance, both for spectroscopy and for optimizing force-field quality. The experimentally measured signals are ensemble averages over all accessible configurations, which complicates spectral calculations. To account for this, we present a recipe for calculating vibrational amide-I spectra of proteins based on metadynamics molecular dynamics simulations. For each frame, a one-exciton Hamiltonian is set up for the backbone amide groups, in which the couplings are estimated with the transition-charge coupling model for non-nearest neighbors, and with a parametrized map of ab initio calculations that give the coupling as a function of the dihedral angles for nearest neighbors. The local-mode frequency variations due to environmental factors such as hydrogen bonds are modelled by exploiting the linear relationship between the amide C-O bond length and the amide-I frequency. The spectra are subsequently calculated while taking into account the equilibrium statistical weights of the frames that are determined using a previously-published reweighting procedure. By implementing all these steps in an efficient Fortran code, the spectra can be averaged over very large amounts of structures, thereby extensively covering the phase space of proteins. Using this recipe, the spectral responses of 2.5 million frames of a metadynamics simulation of the miniprotein Trp-cage are averaged to reproduce the experimental temperature-dependent IR spectra very well. The spectral calculations provide new insight into the origin of the various spectral signatures (which are typically challenging to disentangle in the congested amide-I region), and allow for a direct structural interpretation of the experimental spectra and for validation of the molecular dynamics simulations of ensembles.

Surface spectroscopy reveals ordering of cellulose during basil seed adhesion.

The Front Cover art illustrates the role of aqueous urea in the creation of early-life molecules, such as RNA, under 200 nm UV irradiation from the young sun. The graphic underscores the protective role of water in prebiotic chemistry which opened up pathways for the formation of key feedstock molecules without reliance on biological catalysts such as ureases. More information can be found in the Research Article by F. Jensen and co-workers (DOI: 10.1002/chem.202400728).

Abstract Staphylococcus epidermidis causes some of the most hard-to-treat clinical infections by forming biofilms: Multicellular communities of bacteria encased in a protective matrix, supporting immune evasion and tolerance against antibiotics. Biofilms occur most commonly on medical implants, and a key event in implant colonization is the robust adherence to the surface, facilitated by interactions between bacterial surface proteins and host matrix components. S. epidermidis is equipped with a giant adhesive protein, Embp, which facilitates bacterial interactions with surface-deposited, but not soluble fibronectin. The structural basis behind this selective binding process has remained obscure. Using a suite of single-cell and single-molecule analysis techniques, we show that S. epidermidis is capable of such distinction because Embp binds specifically to fibrillated fibronectin on surfaces, while ignoring globular fibronectin in solution. S. epidermidis adherence is critically dependent on multi-valent interactions involving 50 fibronectin-binding repeats of Embp. This unusual, Velcro-like interaction proved critical for colonization of surfaces under high flow, making this newly identified attachment mechanism particularly relevant for colonization of intravascular devices, such as prosthetic heart valves or vascular grafts. Other biofilm-forming pathogens, such as Staphylococcus aureus , express homologs of Embp and likely deploy the same mechanism for surface colonization. Our results may open for a novel direction in efforts to combat devastating, biofilm-associated infections, as the development of implant materials that steer the conformation of adsorbed proteins is a much more manageable task than avoiding protein adsorption altogether. Graphical abstract Fibronectin exists in two different conformations in the body. It circulates in the bodily fluids in globular conformation, however, it become fibrillated once adsorbed to an implant surface. S. epidermidis possess a giant 1 MDa receptor known as Embp bind specifically to fibrillated Fn but not to the globular Fn.