Significance Despite a large body of work, little is known about the origin or underlying mechanisms of how cells interact with surface topographic patterns, which has resulted in a primarily phenomenological approach in studying cell–nanotopography interactions. This study illustrates that membrane curvatures induced by nanoscale surface topography can serve as a direct biochemical signal to activate curvature-sensing protein and regulate actin polymerization and mechanotransduction in the intracellular space.

Abstract Mitochondria are membrane-bound organelles that perform diverse critical biological functions. They undergo constant fission and fusion, which are important for mitochondrial inheritance, functions, and quality control. While tremendous efforts have identified many factors governing mitochondria dynamics, emerging evidence indicates the involvement of various intracellular or extracellular mechanical cues. However, how mechanical stress directly modulates mitochondrial dynamics remains largely unknown. Here utilizing an optogenetic mitochondria-specific mechanostimulator to apply pulling forces to intracellular mitochondria, we find that mechanostimulation can promote mitochondrial fission, with sustained mechanostimulation triggering fission more effectively than transient one. Asymmetrical fission can occur at different sub-mitochondrial sites after force-induced mitochondrial elongation. Such force-induced fission is dependent on DRP1 and involves the wrapping of ER tubules. Moreover, mechanical force generates mitochondrial fragments without mtDNA which recruit Parkin proteins. Our results prove the mechanosensitivity and mechanoresponsiveness of mitochondria and reveal the role of mechanical cues in directly regulating mitochondrial dynamics.

Abstract Mitochondria, the powerhouse of the cell, are dynamic organelles that undergo constant morphological changes. Increasing evidence indicates that mitochondria morphologies and functions can be modulated by mechanical cues. However, the mechano-sensing and -responding properties of mitochondria and the correlation between mitochondrial morphologies and functions are unclear due to the lack of methods to precisely exert mechano-stimulation on and deform mitochondria inside live cells. Here we present an optogenetic approach that uses light to induce deformation of mitochondria by recruiting molecular motors to the outer mitochondrial membrane via light-activated protein-protein hetero-dimerization. Mechanical forces generated by motor proteins distort the outer membrane, during which the inner mitochondrial membrane can also be deformed. Moreover, this optical method can achieve subcellular spatial precision and be combined with other optical dimerizers and molecular motors. This method presents a novel mitochondria-specific mechano-stimulator for studying mitochondria mechanobiology and the interplay between mitochondria shapes and functions.

Abstract The ability to deliver protein therapeutics in a minimally invasive, safe, and sustained manner, without resorting to viral delivery systems, will be crucial for treating a wide range of chronic injuries and diseases. Among these challenges, achieving axon regeneration and functional recovery post‐injury or disease in the central nervous system remains elusive to most clinical interventions, constantly calling for innovative solutions. Here, a thermally responsive hydrogel system utilizing recombinant spider silk protein (spidroin) is developed. The protein solution undergoes rapid sol‐gel transition at an elevated temperature (37 °C) following brief sonication. This thermally triggered gelation confers injectability to the system. Leveraging SpyTag/SpyCatcher chemistry, the hydrogel, composed of SpyTag‐fusion spidroin, can be functionalized with diverse SpyCatcher‐fusion bioactive motifs, such as neurotrophic factors (e.g., ciliary neurotrophic factor) and cell‐binding ligands (e.g., laminin), rendering it well‐suited for neuronal culturing. More importantly, the intravitreous injection of the protein materials decorated with SpyCatcher‐fusion CNTF into the vitreous body after optic nerve injury leads to prolonged JAK/STAT3 signaling, increased neuronal survival, and enhanced axon regeneration. This study illustrates a generalizable material system for injectable and sustained delivery of protein therapeutics for neuroprotection and regeneration, with the potential for extension to other chronic diseases and injuries.

Cobalamin (B12)‐dependent photoreceptors are gaining traction in materials synthetic biology, especially for optically controlling cell‐to‐cell adhesion in living materials. However, these proteins are mostly responsive to green light, limiting their deep‐tissue applications. Here, we present a general strategy for shifting photoresponse of B12‐dependent photoreceptor CarHC from green to red/far‐red light via optical coupling. Using thiol‐maleimide click chemistry, we labeled cysteine‐containing CarHC mutants with SulfoCyanine5 (Cy5), a red light‐capturing fluorophore. The resulting photoreceptors not only retained the ability to tetramerize in the presence of adenosylcobalamin (AdoB12), but also gained sensitivity to red light; labeled tetramers disassembled on red light exposure. Using genetically encoded click chemistry, we assembled the red‐shifted proteins into hydrogels that degraded rapidly in response to red light. Furthermore, Saccharomyces cerevisiae cells were genetically engineered to display CarHC variants, which, alongside in situ Cy5 labeling, led to living materials that could assemble and disassemble in response to AdoB12 and red light, respectively. These results illustrate the CarHC spectrally tuned by optical coupling as a versatile motif for dynamically controlling cell‐to‐cell interactions within engineered living materials. Given their prevalence and ecological diversity in nature, this spectral tuning method will expand the use of B12‐dependent photoreceptors in optogenetics and living materials.

The balance of mitochondrial fission and fusion plays an important role in maintaining the stability of cellular homeostasis. Abnormal mitochondrial fission and fragmentation have been shown to be associated with oxidative stress, which causes a variety of human diseases from neurodegeneration disease to cancer. Therefore, the induction of mitochondrial aggregation and fusion may provide an alternative approach to alleviate these conditions. Here, an optogenetic-based mitochondrial aggregation system (Opto-MitoA) developed, which is based on the CRY2clust/CIBN light-sensitive module. Upon blue light illumination, CRY2clust relocates from the cytosol to mitochondria where it induces mitochondrial aggregation by CRY2clust homo-oligomerization and CRY2clust-CIBN hetero-dimerization. Our functional experiments demonstrate that Opto-MitoA-induced mitochondrial aggregation potently alleviates niclosamide-caused cell dysfunction in ATP production. This study establishes a novel optogenetic-based strategy to regulate mitochondrial dynamics in cells, which may provide a potential therapy for treating mitochondrial-related diseases.

Nerve growth factor/tropomyosin receptor kinase A (NGF/TrkA) signaling plays a key role in neuronal development, function, survival, and growth. The pathway is implicated in neurodegenerative disorders including Alzheimer's disease, chronic pain, inflammation, and cancer. NGF binds the extracellular domain of TrkA, leading to the activation of the receptor's intracellular kinase domain. TrkA signaling is highly dynamic, thus mechanistic studies would benefit from a tool with high spatial and temporal resolution. Here we present the design and evaluation of four strategies for light-inducible activation of TrkA in the absence of NGF. Our strategies involve the light-sensitive protein Arabidopsis cryptochrome 2 (CRY2) and its binding partner CIB1. We demonstrate successful recapitulation of native NGF/TrkA functions by optical induction of plasma membrane recruitment and homo-interaction of the intracellular domain of TrkA. This approach activates PI3K/AKT and Raf/ERK signaling pathways, promotes neurite growth in PC12 cells, and supports the survival of dorsal root ganglion neurons in the absence of NGF. This ability to activate TrkA using light bestows high spatial and temporal resolution for investigating NGF/TrkA signaling.

Background Gestational diabetes mellitus (GDM), a severe pregnancy disorder, is a temporary form of diabetes that occurs during gestation. Astragaloside IV (AS IV), a natural and effective composition of Astragalus membranaceus , shows pharmacological effects against diabetes. On the contrary, the effects of AS IV on GDM development are still not clear. This study aims to investigate the role of AS IV in alleviating GDM in rats and determine whether AS IV exerts its anti-GDM properties through the regulation of gut microbiota and metabolite modulation. Methods There were six pregnant SD rats in each of the four groups. First, the GDM model was induced by the streptozotocin (STZ, 45 mg/kg) injection on gestational days (GDs) 1–4, and AS IV intervention (10 mg/kg/d) was administered from 6 days before pregnancy until delivery. The measurements of relevant indicators pertaining to GDM symptoms and reproductive outcomes, along with the 16S rRNA sequencing data and LC-MS-based metabolomic profiles, were assessed across all groups. Results After the 25-day intervention, the GDM model + AS IV group showed significantly decreased fasting blood glucose levels ( p = 0.0003), mean insulin levels ( p = 0.0001), and insulin resistance index ( p = 0.0001). AS IV treatment also decreased the malformation rate ( p = 0.0373) and increased the average fetal weight ( p = 0.0020) of GDM rats. Compared to the control rats, GDM rats showed a significantly higher abundance of Blautia and Anaerobiospirillum . However, the dramatically elevated abundance of these microorganisms was markedly decreased by AS IV treatment. In contrast, compared to GDM rats without treatment, GDM rats treated with AS IV showed a significantly higher abundance of bacteria ( p < 0.05), such as Methanobrevibacter , Dubosiella , and Romboutsia , which are beneficial to the rats. Additionally, we observed dramatically elevated production of metabolites, such as N-acetyl-l-leucine and lithocholic acid, after AS IV treatment through metabolomics analysis ( p < 0.05). Furthermore, significant associations between most genera of gut bacteria and the altered levels of the metabolites connected to gut microbiota were also discovered. Conclusion Our study demonstrated that AS IV could be an effective nutritional intervention strategy for targeting gut microbiota and metabolome profiles in GDM and provided experimental evidence supporting the use of AS IV to treat GDM.

Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), via activation of tropomyosin receptor kinase B (TrkB), plays a critical role in neuronal proliferation, differentiation, survival, and death. Dysregulation of TrkB signaling is implicated in neurodegenerative disorders and cancers. Precise activation of TrkB receptors with spatial and temporal resolution is greatly desired to study the dynamic nature of TrkB signaling and its role in related diseases. Here we develop different optogenetic approaches that use light to activate TrkB receptors. Utilizing the photosensitive protein Arabidopsis thaliana cryptochrome 2 (CRY2), the light-inducible homo-interaction of the intracellular domain of TrkB (iTrkB) in the cytosol or on the plasma membrane is able to induce the activation of downstream MAPK/ERK and PI3K/Akt signaling as well as the neurite outgrowth of PC12 cells. Moreover, we prove that such strategies are generalizable to other optical homo-dimerizers by demonstrating the optical TrkB activation based on the light-oxygen-voltage domain of aureochrome 1 from Vaucheria frigida. The results open up new possibilities of many other optical platforms to activate TrkB receptors to fulfill customized needs. By comparing all the different strategies, we find that the CRY2-integrated approach to achieve light-induced cell membrane recruitment and homo-interaction of iTrkB is most efficient in activating TrkB receptors. The optogenetic strategies presented are promising tools to investigate BDNF/TrkB signaling with tight spatial and temporal control.

The interface between biological cells and non-biological surfaces profoundly influences cellular activities, chronic tissue responses, and ultimately the success of medical implants. Materials in contact with cells can be plastics, metal, ceramics or other synthetic materials, and their surfaces vary widely in chemical compositions, stiffness, topography and levels of roughness. To understand the molecular mechanism of how cells and tissues respond to different materials, it is of critical importance to directly visualize the cell-material interface at the relevant length scale of nanometers. Conventional ultrastructural analysis by transmission electron microscopy (TEM) often requires substrate removal before microtome sectioning, which is not only challenging for most substrates but also can cause structural distortions of the interface. Here, we present a new method for in situ examination of the cell-to-material interface at any desired cellular location, based on focused-ion beam milling and scanning electron microscopy imaging (FIB-SEM). This method involves a thin-layer plastification procedure that preserves adherent cells as well as enhances the contrast of biological specimen. We demonstrate that this unique procedure allows the visualization of cell-to-material interface and intracellular structures with 10-nm resolution, compatible with a variety of materials and surface topographies, and capable of volume and multi-directional imaging. We expect that this method will be very useful for studies of cell-to-material interactions and also suitable for in vivo studies such as examining osteoblast adhesion and new bone formation in response to titanium implants.