Förster resonance energy transfer (FRET) is a powerful tool for elucidating both structural and dynamic properties of unfolded or disordered biomolecules, especially in single-molecule experiments. However, the key observables, namely, the mean transfer efficiency and fluorescence lifetimes of the donor and acceptor chromophores, are averaged over a broad distribution of donor-acceptor distances. The inferred average properties of the ensemble therefore depend on the form of the model distribution chosen to describe the distance, as has been widely recognized. In addition, while the distribution for one type of polymer model may be appropriate for a chain under a given set of physico-chemical conditions, it may not be suitable for the same chain in a different environment so that even an apparently consistent application of the same model over all conditions may distort the apparent changes in chain dimensions with variation of temperature or solution composition. Here, we present an alternative and straightforward approach to determining ensemble properties from FRET data, in which the polymer scaling exponent is allowed to vary with solution conditions. In its simplest form, it requires either the mean FRET efficiency or fluorescence lifetime information. In order to test the accuracy of the method, we have utilized both synthetic FRET data from implicit and explicit solvent simulations for 30 different protein sequences, and experimental single-molecule FRET data for an intrinsically disordered and a denatured protein. In all cases, we find that the inferred radii of gyration are within 10% of the true values, thus providing higher accuracy than simpler polymer models. In addition, the scaling exponents obtained by our procedure are in good agreement with those determined directly from the molecular ensemble. Our approach can in principle be generalized to treating other ensemble-averaged functions of intramolecular distances from experimental data.

1.
P. E.
Wright
and
H. J.
Dyson
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
16
,
18
29
(
2015
).
2.
D. H.
Brookes
and
T.
Head-Gordon
,
J. Am. Chem. Soc.
138
(
13
),
4530
4538
(
2016
).
3.
M.
Schwalbe
,
V.
Ozenne
,
S.
Bibow
,
M.
Jaremko
,
M.
Gajda
,
M.
Ringkjøbing-Jensen
,
J.
Biernat
,
S.
Becker
,
E.
Mandelkow
,
M.
Zweckstetter
, and
M.
Blackledge
,
Structure
22
,
238
249
(
2014
).
4.
A.
Borgia
,
W.
Zheng
,
K.
Buholzer
,
M. B.
Borgia
,
A.
Schuler
,
H.
Hofmann
,
A.
Soranno
,
D.
Nettels
,
K.
Gast
,
A.
Grishaev
,
R. B.
Best
, and
B.
Schuler
,
J. Am. Chem. Soc.
138
(
36
),
11714
11726
(
2016
).
5.
S.
Meier
,
M.
Blackledge
, and
S.
Grzesiek
,
J. Chem. Phys.
128
,
052204
(
2008
).
6.
C. C.
Jao
,
A.
Der-Sarkissian
,
J.
Chen
, and
R.
Langen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
101
(
22
),
8331
8336
(
2004
).
7.
A.
Nöppert
,
K.
Gast
,
M.
Müller-Frohne
,
D.
Zirwer
, and
G.
Damaschun
,
FEBS Lett.
380
,
179
182
(
1996
).
8.
T.
Dertinger
,
V.
Pacheco
,
I.
Von der Hocht
,
R.
Hartmann
,
I.
Gregor
, and
J.
Enderlein
,
Chem. Phys. Chem.
8
,
433
443
(
2007
).
9.
M. A.
Graewert
and
D. I.
Svergun
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
23
,
748
754
(
2013
).
10.
X.
Michalet
,
S.
Weiss
, and
M.
Jager
,
Chem. Rev.
106
(
5
),
1785
1813
(
2006
).
11.
B.
Schuler
and
H.
Hofmann
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
23
(
1
),
36
47
(
2013
).
12.
G.
Hummer
and
J.
Koefinger
,
J. Chem. Phys.
143
(
24
),
243150
(
2015
).
13.
O. F.
Lange
,
N.-A.
Lakomek
,
C.
Fares
,
G. F.
Schröder
,
K. F. A.
Walter
,
S.
Becker
,
J.
Meiler
,
H.
Grubmüller
,
C.
Griesinger
, and
B. L.
De Groot
,
Science
320
,
1471
1475
(
2008
).
14.
E.
Boura
,
B.
Rózycki
,
D. Z.
Herrick
,
H. S.
Chung
,
J.
Vecer
,
W. A.
Eaton
,
D. S.
Cafiso
,
G.
Hummer
, and
J. H.
Hurley
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
9437
9442
(
2011
).
15.
J. R.
Allison
,
R. C.
Rivers
,
J. C.
Christodoulou
,
M.
Vendruscolo
, and
C. M.
Dobson
,
Biochemistry
53
,
7170
7183
(
2014
).
16.
C. K.
Fisher
,
A.
Huang
, and
C. M.
Stultz
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
14919
14927
(
2010
).
17.
W.
Boomsma
,
J.
Ferkinghoff-Borg
, and
K.
Lindorff-Larsen
,
PLoS Comput. Biol.
10
,
e1003406
(
2014
).
18.
K.
Lindorff-Larsen
,
R. B.
Best
,
M. A.
Depristo
,
C. M.
Dobson
, and
M.
Vendruscolo
,
Nature
433
,
128
132
(
2005
).
19.
R. B.
Best
and
M.
Vendruscolo
,
J. Am. Chem. Soc.
126
,
8090
8091
(
2004
).
20.
J.
Kuriyan
,
K.
Osapay
,
S. K.
Burley
,
A. T.
Brunger
,
W. A.
Hendrickson
, and
M.
Karplus
,
Proteins
10
,
340
358
(
1991
).
21.
V.
Venditti
,
T.
Egner
, and
G. M.
Clore
,
Chem. Rev.
116
(
11
),
6305
6322
(
2016
).
22.
W.
Rieping
,
M.
Habeck
, and
M.
Nilges
,
Science
309
,
303
306
(
2005
).
23.
B.
Roux
and
J.
Weare
,
J. Chem. Phys.
138
,
084107
(
2013
).
24.
A. A.
Deniz
,
T. A.
Laurence
,
M.
Dahan
,
D. S.
Chemla
,
P. G.
Schultz
, and
S.
Weiss
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
52
,
233
253
(
2001
).
25.
E.
Sisamakis
,
A.
Valeri
,
S.
Kalinin
,
P. J.
Rothwell
, and
C. A. M.
Seidel
,
Methods Enzymol.
475
,
455
514
(
2010
).
26.
P. J.
Flory
,
Principles of Polymer Chemistry
(
Cornell University Press
,
Ithaca and London
,
1953
).
27.
B.
Schuler
,
A.
Soranno
,
H.
Hofmann
, and
D.
Nettels
,
Annu. Rev. Biophys.
45
,
207
231
(
2016
).
28.
E.
O’Brien
,
G.
Morrison
,
B. R.
Brooks
, and
D.
Thirumalai
,
J. Chem. Phys.
130
,
124903
(
2009
).
29.
J.
Song
,
G.-N.
Gomes
,
C. C.
Gradinaru
, and
H.-S.
Chan
,
J. Phys. Chem. B
119
,
15191
15202
(
2015
).
30.
J. E.
Kohn
,
I. S.
Millett
,
J.
Jacob
,
B.
Zagrovic
,
T. M.
Dillon
,
N.
Cingel
,
R. S.
Dothager
,
S.
Seifert
,
P.
Thiyagarajan
,
T. R.
Sosnick
,
M. Z.
Hasan
,
V. S.
Pande
,
I.
Ruczinski
,
S.
Doniach
, and
K. W.
Plaxco
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
101
,
12491
12496
(
2004
).
31.
H.
Hofmann
,
A.
Soranno
,
A.
Borgia
,
K.
Gast
,
D.
Nettels
, and
B.
Schuler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
(
40
),
16155
16160
(
2012
).
32.
B.-Y.
Ha
and
D.
Thirumalai
,
Phys. Rev. A
46
(
6
),
R3012
R3015
(
1992
).
33.
A. H.
Mao
,
S. L.
Crick
,
A.
Vitalis
,
C. L.
Chicoine
, and
R. V.
Pappu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
8183
8188
(
2010
).
34.
K. A.
Merchant
,
R. B.
Best
,
J. M.
Louis
,
I. V.
Gopich
, and
W. A.
Eaton
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
,
1528
1533
(
2007
).
35.
A.
Vitalis
and
R. V.
Pappu
,
J. Comput. Chem.
30
,
673
699
(
2008
).
36.
R. B.
Best
,
W.
Zheng
, and
J.
Mittal
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
5113
5124
(
2014
).
37.
B.
Schuler
,
E. A.
Lipman
,
P. J.
Steinbach
,
M.
Kumke
, and
W. A.
Eaton
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
2754
2759
(
2005
).
38.
T.
Förster
,
Ann. Phys.
437
,
55
75
(
1948
).
39.
I. V.
Gopich
and
A.
Szabo
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
7747
7752
(
2012
).
40.
H. S.
Chung
,
J. M.
Louis
, and
I. V.
Gopich
,
J. Phys. Chem. B
120
,
680
699
(
2016
).
41.
M. E.
Fisher
,
J. Chem. Phys.
44
,
616
622
(
1966
).
42.
J.
des Cloizeaux
,
Phys. Rev. A
10
(
5
),
1665
1669
(
1974
).
43.
J. C.
Le Guillou
and
J.
Zinn-Justin
,
Phys. Rev. Lett.
39
(
2
),
95
98
(
1977
).
44.
T. A.
Witten
and
L.
Schäfer
,
J. Phys. A: Math. Gen.
11
(
9
),
1843
1854
(
1978
).
45.
H. T.
Tran
,
A.
Mao
, and
R. V.
Pappu
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
7380
7392
(
2008
).
46.
A.
Borgia
,
B. G.
Wensley
,
A.
Soranno
,
D.
Nettels
,
M. B.
Borgia
,
A.
Hoffmann
,
S. H.
Pfeil
,
E. A.
Lipman
,
J.
Clarke
, and
B.
Schuler
,
Nat. Commun.
3
,
1195
(
2012
).
47.
S. J.
Demarest
,
M.
Martinez-Yamout
,
J.
Chung
,
H.
Chen
,
W.
Xu
,
H. J.
Dyson
,
R. M.
Evans
, and
P. E.
Wright
,
Nature
415
,
549
553
(
2002
).
48.
R.
Wuttke
,
H.
Hofmann
,
D.
Nettels
,
M. B.
Borgia
,
J.
Mittal
,
R. B.
Best
, and
B.
Schuler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
5213
5218
(
2014
).
49.
R. K.
Das
and
R. V.
Pappu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
(
33
),
13392
13397
(
2013
).
50.
R. B.
Best
,
H.
Hofmann
,
D.
Nettels
, and
B.
Schuler
,
Biophys. J.
108
(
11
),
2721
2731
(
2015
).
51.
W.
Zheng
,
A.
Borgia
,
K.
Buholzer
,
A.
Grishaev
,
B.
Schuler
, and
R. B.
Best
,
J. Am. Chem. Soc.
138
(
36
),
11702
11713
(
2016
).
52.
G. H.
Zerze
,
R. B.
Best
, and
J.
Mittal
,
Biophys. J.
107
,
1654
1660
(
2014
).
53.
K.
Kremer
and
K.
Binder
,
Comput. Phys. Rep.
7
,
261
310
(
1988
).
54.
G.
Fuertes
,
N.
Banterlea
,
K. M.
Ruff
,
A.
Chowdhury
,
D.
Mercadante
,
C.
Koehler
,
M.
Kachala
,
G. E.
Girona
,
S.
Milles
,
A.
Mishra
,
P. R.
Onck
,
F.
Grater
,
S.
Esteban-Martin
,
R. V.
Pappu
,
D. I.
Svergun
, and
E. A.
Lemke
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
(
31
),
E6342
E6351
(
2017
).
55.
L.
Schäfer
,
Excluded Volume Effects in Polymer Solutions: As Explained by the Renormalization Group
(
Springer Science & Business Media
,
2012
).
56.
Y.
Oono
and
K. F.
Freed
,
J. Phys. A: Math. Gen.
15
(
6
),
1931
1950
(
1982
).
57.
S.
Kalinin
,
A.
Valeri
,
M.
Antonik
,
S.
Felekyan
, and
C. A. M.
Seidel
,
J. Phys. Chem. B
114
(
23
),
7983
7995
(
2010
).
58.
A.
Soranno
,
B.
Buchli
,
D.
Nettels
,
R. R.
Cheng
,
S.
Muller-Spath
,
S. H.
Pfeil
,
A.
Hoffmann
,
E. A.
Lipman
,
D. E.
Makarov
, and
B.
Schuler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
(
44
),
17800
17806
(
2012
).
59.
J. L. F.
Abascal
and
C.
Vega
,
J. Chem. Phys.
123
,
234505
(
2005
).
60.
W.
Zheng
,
A.
Borgia
,
M. B.
Borgia
,
B.
Schuler
, and
R. B.
Best
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
5543
5553
(
2015
).
61.
J.
Henriques
,
C.
Cragnell
, and
M.
Skepö
,
J. Chem. Theory Comput.
11
(
7
),
3420
3431
(
2015
).
62.
G. H.
Zerze
,
J.
Mittal
, and
R. B.
Best
,
Phys. Rev. Lett.
116
(
6
),
068102
(
2016
).
63.
A. E.
Conicella
,
G. H.
Zerze
,
J.
Mittal
, and
N. L.
Fawzi
,
Structure
24
,
1537
1549
(
2016
).
64.
R. B.
Best
,
D.
De Sancho
, and
J.
Mittal
,
Biophys. J.
102
,
1462
1467
(
2012
).
65.
F.
Meng
,
M. M. J.
Bellaiche
,
J.-Y. K.
Kim
,
G. H.
Zerze
,
R. B.
Best
, and
H. S.
Chung
, “
Highly disordered amyloid-beta monomer probed by single-molecule FRET and MD simulation
,”
Biophys. J.
(in press).
66.
S.
Piana
,
J. L.
Klepeis
, and
D. E.
Shaw
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
24
,
98
105
(
2014
).
67.
H. T.
Tran
and
R. V.
Pappu
,
Biophys. J.
91
,
1868
1886
(
2006
).
68.
R. B.
Best
,
K. A.
Merchant
,
I. V.
Gopich
,
B.
Schuler
,
A.
Bax
, and
W. A.
Eaton
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
,
18964
18969
(
2007
).
69.
K. M.
Ruff
and
A. S.
Holehouse
,
Biophys. J.
113
(
5
),
971
973
(
2017
).
70.
J.
Song
,
G. N.
Gomes
,
T.
Shi
,
C. C.
Gradinaru
, and
H. S.
Chan
,
Biophys. J.
113
(
5
),
1012
1024
(
2017
).
71.
R. K.
Das
,
K. M.
Ruff
, and
R. V.
Pappu
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
32
,
102
112
(
2015
).
72.
A.
Hoffmann
,
A.
Kane
,
D.
Nettels
,
D. E.
Hertzog
,
P.
Baumgartel
,
J.
Lengefeld
,
G.
Reichardt
,
D. A.
Horsley
,
R.
Seckler
,
O.
Bakajin
, and
B.
Schuler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
(
1
),
105
110
(
2007
).
73.
M.
Aznauryan
,
L.
Delgado
,
A.
Soranno
,
D.
Nettels
,
J. R.
Huang
,
A. M.
Labhardt
,
S.
Grzesiek
, and
B.
Schuler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
113
(
37
),
E5389
E5398
(
2016
).
74.
J. A.
Riback
,
M. A.
Bowman
,
A. M.
Zmyslowski
,
C. R.
Knoverek
,
J. M.
Jumper
,
J. R.
Hinshaw
,
E. B.
Kaye
,
K. F.
Freed
,
P. L.
Clark
, and
T. R.
Sosnick
,
Science
358
(
6360
),
238
241
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.