530 Physik
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Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful and popular technique for probing the molecular structures, dynamics and chemical properties. However the conventional NMR spectroscopy is bottlenecked by its low sensitivity. Dynamic nuclear polarization (DNP) boosts NMR sensitivity by orders of magnitude and resolves this limitation. In liquid-state this revolutionizing technique has been restricted to a few specific non-biological model molecules in organic solvents. Here we show that the carbon polarization in small biological molecules, including carbohydrates and amino acids, can be enhanced sizably by in situ Overhauser DNP (ODNP) in water at room temperature and at high magnetic field. An observed connection between ODNP 13C enhancement factor and paramagnetic 13C NMR shift has led to the exploration of biologically relevant heterocyclic compound indole. The QM/MM MD simulation underscores the dynamics of intermolecular hydrogen bonds as the driving force for the scalar ODNP in a long-living radical-substrate complex. Our work reconciles results obtained by DNP spectroscopy, paramagnetic NMR and computational chemistry and provides new mechanistic insights into the high-field scalar ODNP.
Upon antibiotic stress Gram-negative pathogens deploy resistance-nodulation-cell division-type tripartite efflux pumps. These include a H+/drug antiporter module that recognizes structurally diverse substances, including antibiotics. Here, we show the 3.5 Å structure of subunit AdeB from the Acinetobacter baumannii AdeABC efflux pump solved by single-particle cryo-electron microscopy. The AdeB trimer adopts mainly a resting state with all protomers in a conformation devoid of transport channels or antibiotic binding sites. However, 10% of the protomers adopt a state where three transport channels lead to the closed substrate (deep) binding pocket. A comparison between drug binding of AdeB and Escherichia coli AcrB is made via activity analysis of 20 AdeB variants, selected on basis of side chain interactions with antibiotics observed in the AcrB periplasmic domain X-ray co-structures with fusidic acid (2.3 Å), doxycycline (2.1 Å) and levofloxacin (2.7 Å). AdeABC, compared to AcrAB-TolC, confers higher resistance to E. coli towards polyaromatic compounds and lower resistance towards antibiotic compounds.
Single-particle tracking enables the analysis of the dynamics of biomolecules in living cells with nanometer spatial and millisecond temporal resolution. This technique reports on the mobility of membrane proteins and is sensitive to the molecular state of a biomolecule and to interactions with other biomolecules. Trajectories describe the mobility of single particles over time and provide information such as the diffusion coefficient and diffusion state. Changes in particle dynamics within single trajectories lead to segmentation, which allows to extract information on transitions of functional states of a biomolecule. Here, mean-squared displacement analysis is developed to classify trajectory segments into immobile, confined diffusing, and freely diffusing states, and to extract the occurrence of transitions between these modes. We applied this analysis to single-particle tracking data of the membrane receptor MET in live cells and analyzed state transitions in single trajectories of the un-activated receptor and the receptor bound to the ligand internalin B. We found that internalin B-bound MET shows an enhancement of transitions from freely and confined diffusing states into the immobile state as compared to un-activated MET. Confined diffusion acts as an intermediate state between immobile and free, as this state is most likely to change the diffusion state in the following segment. This analysis can be readily applied to single-particle tracking data of other membrane receptors and intracellular proteins under various conditions and contribute to the understanding of molecular states and signaling pathways.
Mechanistic characterization of photoisomerization reactions in organic molecules and photoreceptors
(2023)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Einflüsse auf die Dynamik von Photoisomerisierungen in Phytochromen und indigoiden Photoschaltern untersucht. Beide Forschungsgebiete teilen wesentliche Aspekte wie die Kontrolle durch sterische Wechselwirkungen und den starken Einfluss der Polarität oder der ionischen Umgebung.
Auf dem Gebiet der Phytochrome wurde die relative Positionierung der knotenlosen Phytochrome innerhalb der Superfamilie der Phytochrome in Bezug auf ihre Photodynamik und den Effekt von Grundzustandsheterogenität herausgearbeitet. Es wurde anhand von ultraschnellen, zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten der einzelnen GAF-Domäne All2699g1 im Vergleich mit dem vollständigen knotenlosen Phytochrom All2699g1g2 und dem strukturell ähnlichen knotenlosen Phytochrom SynCph2 gezeigt, dass knotenlose Phytochrome in ihrer Vorwärtsdynamik eine komplexe mehrphasige Kinetik mit einem langlebigen angeregten Zustand (~100 ps) aufweisen. Die beobachtete mehrphasige Kinetik konnte einer initialen Chromophordynamik sowie einer nicht exponentiellen Reorganisation der chromophor-umgebenden Proteinmatrix zugeordnet werden. Dies steht im starken Kontrast zur im Gebiet der Phytochrome etablierten Beschreibung derartiger mehrphasiger Kinetiken mittels heterogener Grundzustände. Stattdessen wurde ein konserviertes kinetisches Muster identifiziert, welches die mehrphasige Dynamik beschreibt und in allen in dieser Arbeit untersuchten Phytochrome beobachtet wurde. Zudem konnte dieses Muster in einem Phytochrom der Gruppe I und einem Phytochrom der Gruppe III, die einen ähnlichen Pr Dunkelzustand aufweisen, gezeigt werden, was eine breite Anwendbarkeit des damit verbundenen Mechanismus vermuten lässt. Weiterhin konnte die zentrale Rolle eines konservierten Tyrosins in der Photoisomerisierung anhand von Mutationsstudien in All2699g1 herausgearbeitet werden. Diese konservierte Aminosäure muss im Rahmen der Reorganisation der Proteinmatrix vom Chromophor weggezogen werden, damit die sterische Blockade abgebaut werden kann, die die Isomerisierung des Chromophors zunächst verhindert. Da diese Bewegung von diversen Faktoren in der den Chromophor umgebenden Proteinmatrix abhängt, weist sie eine nicht exponentielle Kinetik auf, die je nach Phytochrom, der spezifischen Flexibilität und dem vorhandenen Raum in der Bindetasche unterschiedliche Lebenszeiten aufweist.
Die Rückreaktion knotenloser Phytochrome konnte ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert werden, welche im Pikosekundenbereich abläuft, und damit signifikant schneller ist als die Vorwärtsreaktion. Im Gegensatz zur Vorwärtsreaktion nimmt Grundzustandsheterogenität in der Rückreaktion eine weitaus bedeutendere Rolle ein. Hier weisen die in All2699g1 vorhandenen heterogenen Grundzustandspopulationen jeweils eine eigene Kinetik ihres angeregten Zustands auf, während die homogenen Grundzustände von All2699g1g2 und SynCph2 jeweils nur einen Zerfall des angeregten Zustands zeigen. Der Ursprung dieser Heterogenität konnte im Wasserstoffbrückennetzwerk des Chromophors lokalisiert und mit dem konservierten Tyrosin und einem konservierten Serin in der PHY-Domäne verknüpft werden. Die Anwesenheit der PHY-Domäne sorgt demnach für eine Verringerung der Grundzustandsheterogenität und des vorhandenen Raums in der Bindetasche, wodurch die Effizienz der Photoreaktion optimiert wird.
Zuletzt konnte die Millisekundendynamik knotenloser Phytochrome und der Einfluss der PHY-Domäne auf diese aufgeklärt werden. Die PHY-Domäne sorgt hierbei durch den verringerten Raum in der Bindetasche dafür, dass die zunächst stattfindende thermische Relaxation des Chromophors signifikant verlangsamt wird, während spätere Änderungen im Photozyklus nur wenig beeinflusst werden.
Auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter konnte, anhand eines sterisch überladenen Hemithioindigo Photoschalters, der Photoisomerisierungsmechanismus des Hula-Twists beobachtet und eine starke Lösungsmittelabhängigkeit der entsprechenden Kinetik aufgezeigt werden. Aus den durchgeführten zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten in verschiedenen Lösungsmitteln konnte ein Modell für die Photodynamik des verwendeten Hemithioindigo Photoschalters entwickelt werden. In unpolaren Lösungsmitteln muss eine hohe Barriere zur produktiven konischen Durchschneidung überwunden werden, was zu Lebenszeiten des angeregten Zustands im Nanosekundenbereich führt. Der Weg zur produktiven konischen Durchschneidung folgt dabei dem Hula-Twist Mechanismus. Dieser Pfad ist in polaren Lösungsmitteln unerreichbar, weshalb eine schnelle Relaxation über eine unproduktive konische Durchschneidung stattfindet.
Im zweiten Projekt auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter wurde anhand der neuartigen Klasse der Iminothioindoxyl Photoschalter ein Schwingungsenergiedonor für Schwingungsenergietransferstudien entwickelt. Das daraus entwickelte Modellsystem, bestehend aus einer künstlichen Aminosäure auf Basis des Iminothioindoxyl Photoschalters und einem daran gekoppelten Schwingungsenergiesensor, wurde charakterisiert und die primäre Photoreaktion untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der angeregte Zustand des Modellsystems kurzlebig ist und unter Abgabe von großen Mengen an Schwingungsenergie zerfällt, unabhängig von der Anregungswellenlänge und dem verwendeten Lösungsmittel. Somit zeigt das entwickelte System vorteilhafte Eigenschaften für Schwingungsenergietransferstudien.
Insgesamt konnten somit die Mechanismen der Photoisomerisierungsreaktionen in knotenlosen Phytochromen und indigoiden Photoschaltern aufgeklärt und daraus die Relevanz der Umgebung für derartige Reaktionen herausgearbeitet werden.
Copper perchlorophthalocyanine (CuPcCl16, CuC32N8Cl16, Pigment Green 7) is one of the commercially most important green pigments. The compound is a nanocrystalline fully insoluble powder. Its crystal structure was first addressed by electron diffraction in 1972 [Uyeda et al. (1972). J. Appl. Phys. 43, 5181–5189]. Despite the commercial importance of the compound, the crystal structure remained undetermined until now. Using a special vacuum sublimation technique, micron-sized crystals could be obtained. Three-dimensional electron diffraction (3D ED) data were collected in two ways: (i) in static geometry using a combined stage-tilt/beam-tilt collection scheme and (ii) in continuous rotation mode. Both types of data allowed the crystal structure to be solved by direct methods. The structure was refined kinematically with anisotropic displacement parameters for all atoms. Due to the pronounced crystal mosaicity, a dynamic refinement was not feasible. The unit-cell parameters were verified by Rietveld refinement from powder X-ray diffraction data. The crystal structure was validated by many-body dispersion density functional theory (DFT) calculations. CuPcCl16 crystallizes in the space group C2/m (Z = 2), with the molecules arranged in layers. The structure agrees with that proposed in 1972.
Famotidine inhibits toll-like receptor 3-mediated inflammatory signaling in SARS-CoV-2 infection
(2021)
Apart from prevention using vaccinations, the management options for COVID-19 remain limited. In retrospective cohort studies, use of famotidine, a specific oral H2 receptor antagonist (antihistamine), has been associated with reduced risk of intubation and death in patients hospitalized with COVID-19. In a case series, nonhospitalized patients with COVID-19 experienced rapid symptom resolution after taking famotidine, but the molecular basis of these observations remains elusive. Here we show using biochemical, cellular, and functional assays that famotidine has no effect on viral replication or viral protease activity. However, famotidine can affect histamine-induced signaling processes in infected Caco2 cells. Specifically, famotidine treatment inhibits histamine-induced expression of Toll-like receptor 3 (TLR3) in SARS-CoV-2 infected cells and can reduce TLR3-dependent signaling processes that culminate in activation of IRF3 and the NF-κB pathway, subsequently controlling antiviral and inflammatory responses. SARS-CoV-2-infected cells treated with famotidine demonstrate reduced expression levels of the inflammatory mediators CCL-2 and IL6, drivers of the cytokine release syndrome that precipitates poor outcome for patients with COVID-19. Given that pharmacokinetic studies indicate that famotidine can reach concentrations in blood that suffice to antagonize histamine H2 receptors expressed in mast cells, neutrophils, and eosinophils, these observations explain how famotidine may contribute to the reduced histamine-induced inflammation and cytokine release, thereby improving the outcome for patients with COVID-19.
The crystal structures of sodium ethoxide (sodium ethanolate, NaOEt), sodium n-propoxide (sodium n-propanolate, NaOnPr), sodium n-butoxide (sodium n-butanolate, NaOnBu) and sodium n-pentoxide (sodium n-amylate, NaOnAm) were determined from powder X-ray diffraction data. NaOEt crystallizes in space group P421m, with Z = 2, and the other alkoxides crystallize in P4/nmm, with Z = 2. To resolve space-group ambiguities, a Bärnighausen tree was set up, and Rietveld refinements were performed with different models. In all structures, the Na and O atoms form a quadratic net, with the alkyl groups pointing outwards on both sides (anti-PbO type). The alkyl groups are disordered. The disorder becomes even more pronounced with increasing chain length. Recrystallization from the corresponding alcohols yielded four sodium alkoxide solvates: sodium ethoxide ethanol disolvate (NaOEt·2EtOH), sodium n-propoxide n-propanol disolvate (NaOnPr·2nPrOH), sodium isopropoxide isopropanol pentasolvate (NaOiPr·5iPrOH) and sodium tert-amylate tert-amyl alcohol monosolvate (NaOtAm·tAmOH, tAm = 2-methyl-2-butyl). Their crystal structures were determined by single-crystal X-ray diffraction. All these solvates form chain structures consisting of Na+, –O− and –OH groups, encased by alkyl groups. The hydrogen-bond networks diverge widely among the solvate structures. The hydrogen-bond topology of the iPrOH network in NaOiPr·5iPrOH shows branched hydrogen bonds and differs considerably from the networks in pure crystalline iPrOH.
We report here the in-cell NMR-spectroscopic observation of the binding of the cognate ligand 2′-deoxyguanosine to the aptamer domain of the bacterial 2′-deoxyguanosine-sensing riboswitch in eukaryotic cells, namely Xenopus laevis oocytes and in human HeLa cells. The riboswitch is sufficiently stable in both cell types to allow for detection of binding of the ligand to the riboswitch. Most importantly, we show that the binding mode established by in vitro characterization of this prokaryotic riboswitch is maintained in eukaryotic cellular environment. Our data also bring important methodological insights: Thus far, in-cell NMR studies on RNA in mammalian cells have been limited to investigations of short (<15 nt) RNA fragments that were extensively modified by protecting groups to limit their degradation in the intracellular space. Here, we show that the in-cell NMR setup can be adjusted for characterization of much larger (≈70 nt) functional and chemically non-modified RNA.
An accurate measurement of the 140Ce(n,γ) energy-dependent cross-section was performed at the n_TOF facility at CERN. This cross-section is of great importance because it represents a bottleneck for the s-process nucleosynthesis and determines to a large extent the cerium abundance in stars. The measurement was motivated by the significant difference between the cerium abundance measured in globular clusters and the value predicted by theoretical stellar models. This discrepancy can be ascribed to an overestimation of the 140Ce capture cross-section due to a lack of accurate nuclear data. For this measurement, we used a sample of cerium oxide enriched in 140Ce to 99.4%. The experimental apparatus consisted of four deuterated benzene liquid scintillator detectors, which allowed us to overcome the difficulties present in the previous measurements, thanks to their very low neutron sensitivity. The accurate analysis of the p-wave resonances and the calculation of their average parameters are fundamental to improve the evaluation of the 140Ce Maxwellian-averaged cross-section.