Antibodies are widely used in medicinal and scientific research due to their ability to bind to a specific antigen. Most often, antibodies are composed of heavy and light chain domains. Under physiological conditions, light chains are produced in excess, as compared to the heavy chain. It is now known that light chains are not silent partners of the heavy chain and can modulate the immune response independently. In this work, the first crystal structure of a light chain dimer originating from mice is described. It represents the light chain dimer of 6A8, a monoclonal antibody specific to the allergen Der f 1. Building on the unexpected occurrence of this kind of dimer, we have demonstrated that this light chain is stable in solution alone. Moreover, enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) have revealed that, when the light chain is not partnered to its corresponding heavy chain, it interacts non-specifically with a wide range of proteins. Computational studies were used to provide insight on the role of the 6A8 heavy chain domain in the specific binding to Der f 1. Overall, this work demonstrates and supports the ongoing notion that light chains can function by themselves and are not silent partners of heavy chains.

DJ-1 (PARK7) is an intensively studied protein whose cytoprotective activities are dysregulated in multiple diseases. DJ-1 has been reported as having two distinct enzymatic activities in defense against reactive carbonyl species that are difficult to distinguish in conventional biochemical experiments. Here, we establish the mechanism of DJ-1 using a synchrotron-compatible version of mix-and-inject-serial crystallography (MISC), which was previously performed only at XFELs, to directly observe DJ-1 catalysis. We designed and used new diffusive mixers to collect time-resolved Laue diffraction data of DJ-1 catalysis at a pink beam synchrotron beamline. Analysis of structurally similar methylglyoxal-derived intermediates formed through the DJ-1 catalytic cycle shows that the enzyme catalyzes nearly two turnovers in the crystal and defines key aspects of its glyoxalase mechanism. In addition, DJ-1 shows allosteric communication between a distal site at the dimer interface and the active site that changes during catalysis. Our results rule out the widely cited deglycase mechanism for DJ-1 action and provide an explanation for how DJ-1 produces L-lactate with high chiral purity.

Time-resolved X-ray crystallography (TR-X) at synchrotrons and free electron lasers is a promising technique for recording dynamics of molecules at atomic resolution. While experimental methods for TR-X have proliferated and matured, data analysis is often difficult. Extracting small, time-dependent changes in signal is frequently a bottleneck for practitioners. Recent work demonstrated this challenge can be addressed when merging redundant observations by a statistical technique known as variational inference (VI). However, the variational approach to time-resolved data analysis requires identification of successful hyperparameters in order to optimally extract signal. In this case study, we present a successful application of VI to time-resolved changes in an enzyme, DJ-1, upon mixing with a substrate molecule, methylglyoxal. We present a strategy to extract high signal-to-noise changes in electron density from these data. Furthermore, we conduct an ablation study, in which we systematically remove one hyperparameter at a time to demonstrate the impact of each hyperparameter choice on the success of our model. We expect this case study will serve as a practical example for how others may deploy VI in order to analyze their time-resolved diffraction data.

Enzymes populate ensembles of structures with intrinsically different catalytic proficiencies that are difficult to experimentally characterize. We use time-resolved mix-and-inject serial crystallography (MISC) at an X-ray free electron laser (XFEL) to observe catalysis in a designed mutant (G150T) isocyanide hydratase (ICH) enzyme that enhances sampling of important minor conformations. The active site exists in a mixture of conformations and formation of the thioimidate catalytic intermediate selects for catalytically competent substates. A prior proposal for active site cysteine charge-coupled conformational changes in ICH is validated by determining structures of the enzyme over a range of pH values. A combination of large molecular dynamics simulations of the enzyme in crystallo and time-resolved electron density maps shows that ionization of the general acid Asp17 during catalysis causes additional conformational changes that propagate across the dimer interface, connecting the two active sites. These ionization-linked changes in the ICH conformational ensemble permit water to enter the active site in a location that is poised for intermediate hydrolysis. ICH exhibits a tight coupling between ionization of active site residues and catalysis-activated protein motions, exemplifying a mechanism of electrostatic control of enzyme dynamics.