Summary During host infection, single-celled apicomplexan parasites like Plasmodium and Toxoplasma use a motility mechanism called gliding, which differs fundamentally from other known mechanisms of eukaryotic cell motility. Gliding is thought to be powered by a thin layer of flowing filamentous (F)-actin 1– 3 sandwiched between the plasma membrane and a myosin-coated 4,5 inner membrane complex. How this surface actin layer drives the diverse apicomplexan gliding modes observed experimentally - helical, circular, and twirling 6,7 , and patch 8 , pendulum 9 , or rolling 2 – presents a rich biophysical puzzle. Here, we use single-molecule imaging to track individual actin filaments and myosin complexes in live Toxoplasma gondii . Based on these data, we hypothesize that F-actin flows arise by self-organization, rather than following a microtubule-based template as previously believed. We develop a continuum model of emergent F-actin flow within the unusual confines provided by parasite geometry. In the presence of F-actin turnover, our model predicts the emergence of a steady-state mode in which actin transport is largely rearward. Removing actin turnover leads to actin patches that recirculate up and down the cell, a “cyclosis” that we observe experimentally for drug-stabilized actin bundles in live parasites. These findings provide a mechanism by which actin turnover governs a transition between distinct self-organized F-actin states, whose properties can account for the diverse gliding modes known to occur. More broadly, we illustrate how different forms of gliding motility can emerge as an intrinsic consequence of the self-organizing properties of F-actin flow in a confined geometry.

Positively charged repeat peptides are emerging as key players in neurodegenerative diseases. These peptides can perturb diverse cellular pathways but a unifying framework for how such promiscuous toxicity arises has remained elusive. We used mass-spectrometry-based proteomics to define the protein targets of these neurotoxic peptides and found that they all share similar sequence features that drive their aberrant condensation with these positively charged peptides. We trained a machine learning algorithm to detect such sequence features and unexpectedly discovered that this mode of toxicity is not limited to human repeat expansion disorders but has evolved countless times across the tree of life in the form of cationic antimicrobial and venom peptides. We demonstrate that an excess in positive charge is necessary and sufficient for this killer activity, which we name 'polycation poisoning'. These findings reveal an ancient and conserved mechanism and inform ways to leverage its design rules for new generations of bioactive peptides.

Abstract Effective Protein Quality Control (PQC), essential for cellular health, relies on spatial sequestration of misfolded proteins into defined inclusions. Here we elucidate the coordination of nuclear and cytoplasmic spatial PQC. While cytoplasmic misfolded proteins concentrate in a cytoplasmic, perinuclear Juxta Nuclear Quality control compartment (JUNQ), nuclear misfolded proteins sequester into a perinucleolar IntraNuclear Quality control compartment (INQ). Particle tracking reveals the INQ and JUNQ converge to face each other across the nuclear envelope at a site proximal to the Nuclear-Vacuolar Junction (NVJ) marked by perinuclear ESCRT-II/-III protein Chm7. Strikingly, this ESCRT-dependent convergence facilitates VPS4-dependent vacuolar clearance of misfolded cytoplasmic and nuclear proteins, the latter entailing extrusion of nuclear INQ into the vacuole. We propose perinuclear ESCRT coordinates spatial PQC at nuclear-vacuolar contacts to facilitate vacuolar clearance of nuclear and cytoplasmic misfolded proteins.

Soft x-ray tomography offers rapid whole single cell imaging with a few tens of nanometers spatial resolution without fixation or labelling. At the moment, this technique is limited to 10 µm thick specimens, such that applications of soft x-ray tomography to large human cells or multicellular specimens are not possible. We have developed a theoretical and experimental framework for soft x-ray tomography to enable extension of imaging volume to 18 µm thick specimens. This approach, based on long depth of field and half-acquisition tomography, is easily applicable to existing full-rotation based microscopes. This opens applications for imaging of large human cells, which are often observed in cancer research and cell to cell interactions.

While many heterologous molecules can be produced at trace concentrations via microbial bioconversion processes, maximizing their titers, rates, and yields from lignin-derived carbon streams remains challenging. Growth coupling can not only increase titers and yields but also shift the production period from stationary phase to growth phase. These methods for designing growth-coupling strains however require multi-gene edits for implementation which may be perceived as impractical. Here, we computationally evaluated 4,114 potential solutions for growth coupling para -coumarate to indigoidine production and prototype two cut sets in Pseudomonas putida KT2440. We used adaptive laboratory evolution (ALE) on the initial triple deletion strain to restore growth on p -CA. Using X-ray tomography on this post-ALE strain we revealed increased cell density and decreased cell volume. Proteomics identified upregulated peroxidases that mitigate reactive oxygen species formation. Nine iterative stepwise modifications further informed by model-guided and rational approaches realized a growth coupled strain that produced 7.3 g/L indigoidine at 77% MTY in para -coumarate minimal media. These ensemble strategies provide a blueprint for producing target molecules at high product titers, rates, and yields.

Due to the intricate and interrelated nature of nuclear power plant systems, any anomaly can trigger a casc ade of alarms. Operators must skillfully assess the system's status amidst this deluge of alarm information and promptly implement appropriate mitigation measures. To address these challenges, an intelligent alarm analysis method based on a Multi-Level Flow Model (MFM) is employed, facilitating the analysis of causal relationships between alarms. Utilizing the secondary loop system and the Low-Pressure Feedwater Heater System (ABP) of a Pressurized Water Reactor (PWR) nuclear power plant as research subjects, a multi-layer flow model for the ABP system was constructed. This model, based on the steady-state operation at full power of the nuclear power plant, clarifies the causal relationships between functions and targets. The mul tilayer flow model was validated using an alarm scenario triggered by an insertion fault superimposed under steady-state operating conditions. The results indicate that the system can filter information, identify root causes, and provide operator s with effective comprehensive diagnostic information. This reduces the impact of a large volume of information on diagnostic tasks and enhances the safety and reliability of nuclear power plant operations.

This work proposed the novel Co-doped bismuth vanadate bismuth/ graphite felt (Co-BiVO4/GF, Co-BVO for short) cathode with reduced metal reduction overpotential (OPMRR) for effective decomposition of antibiotic in heterogeneous electro-Fenton (EF) system. Results showed that Co doping into the BVO reduced the metal reduction overpotential and allowed the system to operate at lower cell voltages. The overpotential of cobalt reduction reaction (OPCRR) for the 3Co-BVO/GF was only 270 mV, much lower than that of bismuth reduction reaction (OPBRR) for the BVO/GF (930 mV), which allowed much higher current of cobalt reduction reaction (CRR) (15.23 mA) than that of bismuth reduction reaction (BRR) (6.51 mA) under OP, facilitating more efficient generation of H2O2 and ·OH on the 3Co-BVO/GF cathode. Moreover, the EF system with the 3Co-BVO/GF cathode achieved Levofloxacin (LEV) removal of 97.2 % within 60 min at pH 3, aeration rate of 60 mL·min−1, and voltage of −0.60 V vs. saturated calomel electrode (SCE) with LEV initial concentration of 20 mg·L−1. Density functional theory (DFT) calculations demonstrated that Co doping effectively modulated electronic structure of the BVO, accelerating electron transfer through Co-O bond and accumulation at Co active sites for reactive species production. At least 12 degradation intermediates with generally lower ecotoxicity were identified during LEV degradation, and three possible degradation routes of LEV were proposed. This study offers insights into regulating overpotential of bismuth-based cathodes for efficient pollutants elimination in EF system.

Ostreococcus tauri is an ancient phototrophic microalgae that possesses favorable genetic and cellular characteristics for reductionist studies probing biosystem design and dynamics. Here multimodal bioimaging and multi-omics techniques were combined to interrogate O. tauri cellular changes in response to variations in bioavailable nitrogen and carbon ratios. Confocal microscopy, stimulated Raman scattering, and cryo-soft x-ray tomography revealed whole cell ultrastructural dynamics and composition while proteomic and lipidomic profiling captured changes at the molecular and macromolecular scale. Despite several energy dense long-chain triacylglycerol lipids showing more than 40-fold higher abundance under N deprivation, only a few proteins directly associated with lipid biogenesis showed significant expression changes. However, the entire pathway for starch granule biosynthesis was highly upregulated suggesting much of the cellular energy is preferentially directed towards starch over lipid accumulation. Additionally, three of the five most downregulated and five of the ten most upregulated proteins during severe nitrogen depletion were unnamed protein products that warrant additional biochemical analysis and functional annotation to control carbon transformation dynamics in this smallest eukaryote.

With the increasing complexity of nuclear power plant systems, traditional alarm systems struggle to provide effective early warning and response across multiple operating states and potential faults. In response, this paper proposes an intelligent alarm algorithm based on a multi-level flow model, aimed at significantly enhancing the safety and operational efficiency of nuclear power plants. Initially, the paper underscores the necessity of integrating intelligent alarm systems into the safety management of nuclear power plants. It then introduces the theoretical framework of the multilayer flow model, followed by a detailed exposition of the steps involved in designing and implementing the intelligent alarm algorithm based on this model. The adaptive capabilities and accuracy of the alarm system are also validated. In the application section, the effectiveness of t he intelligent alarm algorithm is demonstrated through a case study of an actual nuclear power plant system, verifying its superiority in fault detection and resolution. This study endeavors to develop an effective intelligent alarm solution for th e nuclear power industry, providing a theoretical foundation and practical support for the safety management and operational optimization of nuclear power plants.

Viruses target mitochondria to promote their replication, and infection-induced stress during the progression of infection leads to the regulation of antiviral defenses and mitochondrial metabolism which are opposed by counteracting viral factors. The precise structural and functional changes that underlie how mitochondria react to the infection remain largely unclear. Here we show extensive transcriptional remodeling of protein-encoding host genes involved in the respiratory chain, apoptosis, and structural organization of mitochondria as herpes simplex virus type 1 lytic infection proceeds from early to late stages of infection. High-resolution microscopy and interaction analyses unveiled infection-induced emergence of rough, thin, and elongated mitochondria relocalized at the perinuclear area, a significant increase in the number and clustering of ER-mitochondria contact sites, and thickening and shortening of mitochondrial cristae. Finally, metabolic analyses demonstrated that reactivation of ATP production is accompanied by increased mitochondrial Ca2+ content and proton leakage as the infection proceeds. Overall, the significant structural and functional changes in the mitochondria triggered by the viral invasion are tightly connected to the progression of the virus infection.