Este trabalho foi financiado pelo NIH Grants 068.625, Subsídios NSF 1063188 e Centro de Física de células vivas 0822613. agradecimentos especiais vão para o Dr. Marina Marjanovic no Instituto Beckman para Ciência Avançada e Tecnologia para o dom de olhos de coelhos.

Declaração de Ética: O tecido da córnea de coelhos foi coletado de acordo com a Universidade de Illinois Institutional Animal Care e Uso diretrizes. Configuração 1 TIRFM NOTA: Utilizar óculos de laser de segurança o tempo todo. <ol><li> Certifique-se de que todos os componentes ópticos necessários listados na Lista de Materiais estão disponíveis e prontos para o alinhamento. Se necessário, usar substitutos com funções equivalentes de outras empresas. Certifique-se de que os espelhos e lentes devem ter (AR) revestimentos anti-reflexo que correspondem o laser em uso. </li><li> Definir as alturas de todos os elementos ópticos com a altura do centro do microscópio para trás da porta. </li><li> Monte a laser, obturador laser e filtro ND (s). Uso de filtros ND para atenuar a energia do laser para baixo tão baixo quanto possível, mantendo o feixe visível. Apertar os parafusos com chaves sextavadas apropriadas. </li><li> Planeje um caminho do feixe e marcá-lo com fita adesiva ou marcador na mesa óptica (dotted linhas azuis na Figura 1). Para simplificar, manter caminhos retos ao longo de linhas de furos na tabela óptica. </li><li> Local espelho M1 (Figura 1), na primeira vez em ângulo recto. Coloque as duas íris ao longo da segunda seção reta do caminho do feixe planejado. Ajuste a posição ea inclinação do M1 tal que o laser atravessa a íris. </li><li> Local espelho M2 (Figura 1) no segundo turno ângulo recto. Inserir o expansor de feixe de 10x (L1 e L2, a Figura 1) ao longo da terceira secção do percurso linear. Ajustar a inclinação tal que o expansor de feixe é paralelo tanto a tabela e o caminho óptico do feixe planeado. <ol><li> Ajustar M1 e M2 de forma iterativa de tal forma que o laser passa a direito através dos centros das duas lentes de o expansor de feixe. Repita este passo até que o perfil do feixe do feixe expandido não é cortada de Gauss. </li></ol></li><li> Ajuste M1 para centralizar o feixe em L1 (Fifigura 1) e M2 para centrar a viga na L2 (Figura 1) de forma iterativa. Um perfil de feixe mau geralmente significa que o laser é cortada; usar uma folha de papel branca para bloquear o feixe depois do expansor de feixe para verificar o perfil do feixe com os olhos. Para a análise de alta precisão, use um profiler feixe óptico. </li><li> Ajustar a distância entre L1 e L2 de tal modo que o feixe é colimado. Repita o passo 1.8 e 1.9, se necessário. NOTA: Quando o tamanho do feixe não muda com a distância, o feixe é colimado suficiente para uma instalação TIRFM. Para melhorar ainda mais a colimação do feixe, ferramentas como um interferômetro de corte poderia ser utilizado. Um tamanho típico feixe depois da expansão é de aproximadamente 20 mm. </li><li> Obturador do laser. Desenrosque a objetiva do microscópio e parafuso em um alvo alinhamento fluorescente. Colocar espelhos M3 e M4 (Figura 1) para direccionar o feixe expandido na porta microscópio e sobre o espelho dicróico dentro da torre. Certifique-se de que o feixe de laser rebate tele dicróicas e para o teto. </li><li> Ajuste M3 para centralizar a parte mais brilhante do feixe no alvo fluorescente, e M4 para ajustar a inclinação do feixe a ser vertical. </li><li> Obturador o laser e parafuso o objetivo novamente. Se o alinhamento na etapa anterior é bem feito deve haver um ponto simétrico de sair do objetivo. Ajuste as inclinações do M3 e M4 para otimizar a potência do laser e perfil do feixe do objetivo. </li><li> Montar uma câmera EMCCD ao microscópio e conectar a câmera a um computador. Inicie o software para a câmera. </li><li> Montar uma amostra fluorescente (solução de fluoróforos) sobre o microscópio. Olhe para a mancha fluorescente brilhante na câmara. Verifique se o local não se desloque na tela como o foco é alterado. </li><li> Coloque a lente TIR (L3, Figura 1) na fase de tradução XYZ, a uma distância a partir do plano focal posterior da objectiva, que é igual ao comprimento focal de L3 (~ 30 cm). Ajuste a posição da L3de tal forma que o laser passa através do centro da lente. </li><li> Traduzir L3 ao longo do percurso do feixe para ajustar a colimação de feixe. Certifique-se de que o feixe ainda está centrada no monitor e simétricos em forma. NOTA: A área de iluminação no plano da amostra aumenta com a diminuição da lente TIR comprimento focal. Em geral, use o comprimento focal menor que poderia caber no set-up. </li><li> Traduzir L3 perpendicular à trajetória do feixe de inclinar a trave do objectivo. Manter traduzindo a lente de modo a que TIR TIR é alcançado. Observar uma amostra de partículas fluorescentes através da câmera EMCCD, e afinar L3 para obter um bom SNR. </li></ol><img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51774/51774fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1 configuração óptica para microscopia de fluorescência de reflexão interna total (TIRFM). 2. fIONA em Cy3 ADN <ol><li> Clâminas de microscópio e magras lamelas: Lavar lâminas de microscópio e lamelas com DDH 2 O e isopropanol e seque-os com gás nitrogênio; coloque as lâminas e lamelas do limpador de plasma por 5 min sob plasma de argônio. </li><li> Construir câmaras de amostras (como esboçado na Figura 2). <ol><li> Coloque um tecido sobre o banco e, em seguida, colocado um pedaço de papel de lente na parte superior do tecido. Coloque o slide no papel lente. Certifique-se de que o lado limpo do slide é para cima. </li><li> Aplicar duas tiras de fita dupla face para o slide ao longo das bordas longas, deixando um espaço de 3-5 mm no centro. Coloque a lamela limpa em cima do slide. Certifique-se de que o lado limpo da lamela está voltada para o slide. </li><li> Use uma ponteira para pressionar para baixo sobre a fita dupla face. Use uma navalha para remover o excesso de fita a partir da corrediça de modo que a fita se mantém apenas sob a lamela. NOTA: As extremidades abertas da câmara são deixadas abertas e servem como entrada e para foradeixar. O volume da câmara é de vários microlitros. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51774/51774fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2 Esboço de uma câmara de amostra típica (a) Vista superior.; (B) Vista lateral da direita; (C) Vista lateral da parte dianteira. <ol start="3"><li> Imobilizar Cy3 DNA em superfícies internas das câmaras de amostra. <ol><li> Preparar tampão de T-50 (10 mM Tris-HCl pH 8,0, 50 mM de NaCl). Prepare a BSA-biotina em T-50 a uma concentração final de 1 mg / ml. Preparar tampão de T50-BSA por dissolução de BSA em T-50 a uma concentração final de 10 mg / ml. </li><li> Prepare a 0,5 mg / ml de neutravidina em tampão de BSA-T50. Prepare ADN biotinilado marcado com Cy3 (Cy3-ADN) para T50-BSA numa concentração final de 5-10 pM. </li><li> Pipetar 10 ul de BSA-biotina (1 mg / ml) para dentro da câmara da amostra. Espere por 5 min. </li><li&gt; Lava-se a câmara com 40 ul de BSA-T50. Pipeta neutravidina 10 ul (0,5 mg / ml) para dentro da câmara da amostra. Incubar durante 5 min. </li><li> Lava-se a câmara com 40 ul de BSA-T50. Pipetar 20 ul Cy3 ADN para dentro da câmara da amostra. Incubar durante 5 min e em seguida a câmara de lavagem com 80 ul de BSA-T50. </li></ol></li><li> Imagem Cy3-DNA moléculas individuais sob TIRFM. <ol><li> Preparar tampão de imagem (100 ul) por mistura de 1 mL Protocatecoate-3,4-dioxigenase (PCD, 5 mM), 4 uL de ácido protocatecuico (APC, 62,5 mM), 50 ul 6-hidroxi-2,5,7,8- ácido (Trolox, 2 mM em T-50) carboxílico tetramethylchromane-2-, e 45 ul de BSA-T50. </li><li> Pipeta em tampão de imagem de 30 mL e esperar por 8-10 min. </li><li> Montar a amostra para imagiologia numa TIRFM que é equipado com um laser verde (532 nm), um objectivo de imersão em óleo de 100X (NA 1,45), e uma câmara EMCCD. </li><li> Defina o tempo de exposição a 100 a 500 ms e ganho de EM de 25 a 100 Adquirir um filme da amostra para 1,000 quadros. </li></ol></li><li> Realizar análise de dados FIONA nas imagens gravadas de Cy3-DNA. <ol><li> Determine o tamanho efetivo de pixels (ou seja, fator de conversão de pixels para nanômetros), dividindo o tamanho do pixel físico (leia-se a partir da folha de especificações da câmera EMCCD) pela ampliação total (a ampliação da objetiva do microscópio multiplicado por quaisquer aumentos extras). </li><li> Determinar o fator de conversão de intensidades de pixel para fótons números dividindo sensibilidade CCD (ie, elétrons por contagem de A / D, lido a partir da folha de especificação da câmera CCD) pelo multiplicador de elétrons (EM) ganho utilizado na aquisição da imagem. </li><li> Compilar e executar FIONA.pro para análise FIONA. Utilize este programa IDL para importar a imagem adquirida, para introduzir o tamanho do pixel eficaz (a partir do Passo 2.5.1) e do fator de conversão de intensidade ao número de fótons (a partir do Passo 2.5.2), e escolher os pontos para análise de FIONA. NOTA: No final, o prograsaída m vontade os resultados de montagem, com funções 2D de Gauss, bem como o número total de fótons e precisão de localização. Um resultado típico é mostrado na seção de resultados representativos e Figuras 4c-4d. </li><li> Compilar e executar phcount.pro caracterizar contagem de fótons. Utilize este programa IDL para medir o número médio de fótons emitidos por um fluoróforo antes de fotodegradação, para importar a imagem adquirida e para introduzir o fator de conversão de intensidade ao número de fótons (a partir do Passo 2.5.2). NOTA: O programa irá então detectar pontos fluorescentes automaticamente (seleção manual é uma opção), calcular contagens de fótons em função do número de quadro e saída dos vestígios de contagens de fótons. <ol><li> Descarte traços ruins e especificar intervalos de quadros após a fotodegradação para correção de linha de base. No final, o programa irá exibir uma lista de números de fótons no total para todos os pontos não descartada. Em seguida, traçar a distribuição dos números de fótons e de ajustar a distrição com um decaimento exponencial para se obter o número médio de fotões. Um resultado típico é mostrado na seção de resultados representativos e Figuras 4e-4f. </li></ol></li></ol></li></ol> 3. FIONA aplicada para quantificação de Motor (por exemplo, a miosina na actina) Dynamics em nanômetro Scale <ol><li> Polimerizar a actina (por exemplo, preparar a F-actina) um dia antes da experiência fIONA. <ol><li> Reconstituir G-actina (monómero) e biotina G-actina (monómero) para 10 mg / ml com tampão de actina geral. Mexa para certificar-se de ambos são completamente dissolvido, e mantenha-os no gelo. </li><li> Misturar 10 mL de G-actina (monómero) com 1,7 mL de biotina G-actina em um tubo de microcentrífuga de 1,5 ml. Adicionar 100 ul de tampão de polimerização de gelo frio de actina. </li><li> Deixar a mistura durante a noite a 4 ° C (F-actina formados) e, em seguida, adicionar ddH2O para um volume total de 1 ml. </li><li> Armazenar os filamentos de actina (actina F) a 4 ° C para posterior utilização em experiências. NOTA: Filamentos irá desintegrar e diminuir ao longo do tempo, mas pode ser utilizado para, pelo menos, duas semanas. </li></ol></li><li> Prepare a amostra para a imagiologia. <ol><li> Faça uma câmara de amostra (conforme descrito no protocolo 2.1 e 2.2). Pipeta de 20 ul de BSA biotinilado a 1 mg / ml em ddH 2 O. Incubar durante 10 min. Lavar com 30 mL DDH 2 O. NOTA: Isto bloqueia a superfície do vidro e estabelece biotina para a ligação dos filamentos de actina. Biotinilado poli-L-lisina - polietileno glicol (PEG-PLL) pode ter a mesma função. </li><li> Pipeta em 0,5 mg / ml neutravidina. Incuba-se durante 2 min e, em seguida, a câmara de lavagem com tampão 30 ul M5. </li><li> Pipeta no preparado de F-actina diluído 25 vezes em tampão de actina geral, a concentração final de ~ 0,004 mg / ml. Aguarde 10 minutos, lave a câmara com 30 ul de tampão. </li><li> Diluir miosina Va com etiquetas FLAG 30 vezes em tampão de M5 (20 mM de HEPES (pH 7,6), MgCl2 2 mM, KCl 25 mM, EGTA a 1 mM) a uma concentração final of 250 nM. Misture 1 ml miosina com 1 ml Anti-FLAG-Qdot705 (~ 1 PM, conjugado de anticorpos Anti-Flag e Qdot705 usando o Qdot705 Antibody Conjugação Kit de acordo com o manual de instruções do fabricante). Adicionar em 8 mL M5 para preencher a 10 ul. Pipeta cima e para baixo para misturar bem. Incubar durante 10 min em gelo. NOTA: Isso produz uma mistura de 1 motor a 4 pontos quânticos, em ~ 25 nM concentração miosina. </li></ol></li><li> Imagem da miosina andando em actina. <ol><li> Preparar tampão de imagem (100 ul) por mistura de 84 ul M5-BSA (tampão M5 com 1 mg / ml de BSA), 1 ul de ATP (50 uM em ddH2O), 2 ul de DTT (500 mM em ddH2O), 1 CK ul (500 U / ml), 5 ul de PB (200 mM), 1 ul de PCD, 4 ul APC, 1 ul da miosina-Qdot depois diluído outra de 10 vezes a concentração de 2,5 nM de miosina, e 1 ul de BME. </li><li> Pipeta em tampão de imagem de 20 mL de amostra de câmara e incubar por 8-10 min. </li><li> Imagem da amostra em TIRF microscópio a 30 mseg exposição. Adquirir pelo menos 1.000 quadros. Ajuste o volume da miosina-Qdot no Passo 3.3.1, se necessário. </li></ol></li><li> Realizar análise de dados e encontrar o tamanho do passo de miosina andar. <ol><li> Abra o arquivo de vídeo no ImageJ 17 e recortar o vídeo em torno de um ponto em movimento. Cortar uma área grande o suficiente para que o local nunca fica dentro de 20 pixels da borda, e certificar-se de que não há outros pontos no vídeo. Certifique-se de que este local está se movendo em um caminho linear. </li><li> Acompanhe o local através do vídeo para gerar coordenadas X e Y ao longo do tempo, em pixels, através da aplicação de análise FIONA (Passo 2.5.3) para cada quadro do vídeo. </li><li> Converta pixels de nanômetros, como descrito na seção anterior. </li><li> Calcular deslocamento a partir da posição inicial, em função do tempo. </li><li> Executar o teste t sobre o deslocamento para obter os passos de miosina curta. NOTA: O programa previsto t-teste (step_t_test.zip) é codificado em IDL e consiste de 14 sub-rotinas na pasta. <ol><li> Abra todas as sub-rotinas em IDL e compilar tudo duas vezes. Em seguida, execute mtltyanalysis_ttest.pro e escolher um arquivo de texto contendo apenas os dados de distância em uma única coluna. Um arquivo de saída Excel serão gerados, contendo os dados brutos, o ajuste eo tamanho do passo. </li></ol></li><li> Exclua todos os valores nulos da coluna passo-size. Traça-se a distribuição dos tamanhos de passo utilizando Origem ou MATLAB. Coloque um Gaussian para o histograma. NOTA: Passo tamanhos de valores de zero precisa ser suprimida por um passo de zero significa que nenhum passo é feita a partir do quadro anterior. O encaixe apresenta um pico de cerca de 36 nm (como mostrado na Figura 5). </li></ol></li></ol> 4. Grosso Preparação de Amostras para FIONA <ol><li> Prepare quantum dots encapsulados em sol-gel. <ol><li> Misturar 4,5 ml de TMOS, 1 ml de ddH 2 O e 100 mL de HCl (120 mM). Sonicar a mistura em gelo durante 30 min no banho de ultra-sons specified na Lista de Materiais (frequência = 40 kHz, aquecedor = off). Misture a solução cada 10 minutos. </li><li> Diluir 1,5 mL Qdot605 em 1,5 ml de HEPES (50 mM, pH 7,2). Misturar a solução com 1,5 ml de TMOS da etapa anterior. </li><li> Despeje a mistura em um prato fundo de vidro. Selar o prato fundo de vidro com Parafilm e armazenar a 4 ° C durante 1 5 horas. </li><li> Adicionar 2 ml de 1% de BME em PBS para o prato de amostra e incubar à temperatura ambiente durante 30 min antes da imagiologia. </li></ol></li><li> Prepare amostra córnea manchada com pontos quânticos. NOTA: Coelho-olhos foram presentes de Dr. Marina Marjanovic. <ol><li> Separe a córnea dos olhos e corte-o em 3 mm por 3 mm peças. </li><li> Dilui-se 1 ml de estreptavidina-Qdot 605 em 1 ml de PBS. Incubar o tecido da córnea com uma solução a 4 nM Qdots C durante 1 hora. Lavar o tecido com PBS. </li><li> Dê uma lâmina de vidro limpa e uma lamela # 1.5. Coloque 4 camadas de fita dupla face na lâmina ao longo do lado mais longo, umnd colocar mais de 4 camadas de fita de dupla face paralela à fita anterior e deixa um canal de cerca de 1 cm de entre. Colocar o tecido a partir da etapa anterior, no meio do canal, e cobri-lo com uma lamela. </li><li> Pressione suavemente sobre os lados da lamela para fazer colar as fitas. Molhe o canal com 50 mL PBS antes de imagem. </li></ol></li><li> Quantum dots imagem em sol-gel e na córnea. <ol><li> Para imagens FIONA em amostras espessas, use uma objectiva 60X de imersão em água com distância de trabalho de 0,27 mm, ou um objetivo 60X de imersão em água com distância de trabalho de 0,28 mm. </li><li> Monte a amostra no microscópio. Ajustar a lente TIRF tal que atinge o modo de epi-fluorescência (isto é, o feixe de laser de sai da objectiva com um ângulo contra a lamela). Coloque uma lente de ampliação adicional (3.3X ou 4.0X). </li><li> Mova o plano focal da objectiva para a posição z desejado (por exemplo,&gt; 200 mm). Grava imagens de imóvelpontos quânticos na amostra. </li></ol></li><li> Realizar análise FIONA como descrito na seção 2.5 do presente protocolo. </li></ol>

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D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Oxygen+Scavenging+System+for+Improvement+of+Dye+Stability+in+Single-Molecule+Fluorescence+Experiments.">An Oxygen Scavenging System for Improvement of Dye Stability in Single-Molecule Fluorescence Experiments.</a> Biophysical Journal. 94 (5), 1826-1835 (2008).</li></ol>

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Fiona é uma técnica para localizar a posição de um emissor fluorescente (fluoróforo orgânico ou quantum dot) com precisão nanométrica e resolução temporal de até 1 ms 4 a 8. Quando os fótons suficientes são coletados, esta técnica permite determinar a posição de um emissor fluorescente com muito mais precisão do que o limite de difração (~ 200 nm) e, portanto, esta técnica abre uma maneira de observar o que não tem sido visto com microscopia óptica convencional / tradicional 4 - 8.<...

Por volta de 1882, Ernst Abbe descobriu que a resolução de um microscópio de luz visível é ~ λ / 2NA, ou ~ 200 nm (onde λ é o comprimento de onda e NA é a abertura numérica) 1,2. Por conseguinte, qualquer objecto mais pequeno do que esta dimensão que aparecem como uma mancha de difracção limitada, no microscópio óptico. No entanto, é possível determinar o centro do ponto, isto é, a localização do objecto, com uma precisão muito superior 3. Imagens de fluorescência com uma precisão de um nanômetro (Fiona) é uma técnica simples, mas útil para localizar fluorophores individuais com precisão nanométrica no plano xy 4. A precisão da localização, σ μ (ou seja, o erro padrão da média), depende do número total de fotões recolhidos, <img alt="Equação 1" fo:content-width="1in" src="/files/ftp_upload/51774/intro_eqn.jpg" width="100" /> , Onde N é o número de fotões, s é o desvio padrão da mancha fluorescente, um éo tamanho do pixel do detector de imagens, e b é o desvio padrão do fundo de 3,4. Para um fluoróforo que emite fótons ~ 10.000, FIONA pode alcançar ~ 1 nm precisão 4. FIONA pode ser utilizada para determinar com precisão a posição de um emissor estacionário, ou um movimento (assumindo que as imagens podem ser feita suficientemente rápida). FIONA pode ser aplicado, sequencialmente, para os quadros do filme e, assim, controlar o movimento da única molécula 4 a 8. Reagentes foto-proteção pode ser necessário garantir que a amostra não photodegrade. Além disso, o próprio objecto fluorescente pode ser de qualquer tamanho, menor ou maior do que a difracção LIMIT- por exemplo, pode consistir de um organelo (~ 1 mm) com muitas proteínas fluorescentes dispersas sobre a sua membrana. Usando FIONA ainda pode render um (nanômetros) média muito precisos de sua média de centro de massa. A grande melhoria na precisão de localização por Fiona permite resolver nanometer movimentos escala ao longo do tempo. Isso levou microscopia na escala de comprimento molecular 4 a 8. Desde a sua invenção, as variantes do fIONA têm sido desenvolvidos. Por exemplo, a imagem de campo claro com uma precisão de um nanômetro (bFIONA) 9, uma ligeira variante da FIONA, imagens e localiza objetos densos como melanossomas in vivo (objetos escuros contendo o pigmento melanina) com luz transmitida. Além disso, fIONA tem sido empregue para resolver vários corantes. Por exemplo, uma única molécula de alta resolução de imagem com fotodegradação (camarão) 10,11 ou uma única molécula de alta resolução co-localização (SHREC) 12 foram desenvolvidos para resolver dois corantes dentro de cerca de 10 nm. (Note-se que esta é a resolução, ou seja, a precisão com que se pode contar corantes idênticos separados.) Mais recentemente, a análise FIONA tem contribuído para o processo de localização de certos microscopia de super-resolução, como reco óptica estocásticamicroscopia nstruction (STORM) 13 e 15 e microscopia de localização ativados por foto (PALM) 16, em que fluorophores escuras temporárias está animado, e, em seguida, a fluorescência é localizada. Por várias vezes bastante interessante uma baixa densidade de corantes (menos do que um por difracção limitada local), e, em seguida, recolhendo a fluorescência, a análise de cada um deles por fIONA, pode-se construir um mapa de alta resolução. A resolução é, então, apenas limitado pelo número de fotões cada corante coloca fora, bem como coisas como manter a amostra estacionária (incluindo, por exemplo, a fase de microscópio), durante a aquisição. Neste trabalho, um resumo da técnica FIONA e descrever brevemente exemplos de pesquisas que têm sido realizadas utilizando FIONA é relatado. Em primeiro lugar, como configurar o equipamento necessário para experimentos de FIONA, ou seja, um total de microscopia de fluorescência de reflexão interna (TIRFM), com detalhes sobre o alinhamento da ótica, é descrito. Então, comorealizar uma experiência simples FIONA em localizar moléculas imobilizadas Cy3-DNA único meio de protocolos apropriados, é ilustrado. Depois disso, o uso de fIONA para medir o tamanho do passo de 36 nm, de um único motor de miosina Va truncado marcado com um quantum dot é apresentado. Miosina Va é uma proteína motora processive essencial que transporta carga celular enquanto translocação ao longo dos filamentos de actina. Aqui uma miosina Va construir truncada é utilizado para remover os domínios irrelevantes para o tamanho do passo, e com um marcador FLAG adicionado ao terminal C para permitir a facilidade de marcação com quantum dots funcionalizados com anticorpos anti-FLAG. Esta experiência é realizada em condições de baixa ATP para abrandar a miosina e permitir a utilização de longos tempos de exposição suficiente para obter uma boa contagem de fotões em cada quadro. Qualquer marcador fluorescente suficientemente brilhante pode ser substituído no seguinte protocolo. Por fim, é relatado recente esforço de estender a aplicação da FIONA a amostras de espessura. Como princípio de prova de, pontos quânticos foram embebidosem sol-gel e córneas do olho de coelho e, em seguida, analisados ​​e localizado com Fiona. Para imagem, uma objectiva de imersão em água 60X com NA = 1.2 foi usado porque este objectivo tem uma distância maior do que trabalhar utilizado anteriormente objetiva de imersão em óleo de 100X. Para compensar a perda na ampliação da objetiva, uma lente extra-ampliação (3.3X ou 4.0X) foi inserido no caminho de emissões. Além disso, a epi-fluorescência (não TIR), microscopia precisa de ser utilizado para acesso a regiões profundas nas amostras grossas. Mostra-se que os pontos quânticos embebidos no fundo do sol-gel e em córneas do olho de coelho (Z&gt; 200 mM) podem ser localizados com precisão 2-3 nm.

<table><tbody><tr><td>Double-sided tape</td><td>3M</td><td></td><td>~75 &amp;#181;m thick</td></tr><tr><td>EMCCD camera</td><td>Andor Technology</td><td>DU-897E-CS0-#BV</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic cleaner</td><td>Branson</td><td>2510</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescence filter set</td><td>Chroma</td><td>49016</td><td></td></tr><tr><td>Actin polymerization buffer&amp;nbsp;</td><td>Cytoskeleton&amp;nbsp;</td><td>BSA02</td><td></td></tr><tr><td>Biotin G-actin</td><td>Cytoskeleton&amp;nbsp;</td><td>AB07</td><td></td></tr><tr><td>G-actin&amp;nbsp;</td><td>Cytoskeleton&amp;nbsp;</td><td>AKL95</td><td></td></tr><tr><td>General actin buffer&amp;nbsp;</td><td>Cytoskeleton&amp;nbsp;</td><td>BSA01</td><td></td></tr><tr><td>Laser shutter (with driver)</td><td>Electro-Optical Products Corp.&amp;nbsp;</td><td>SH-10-MP</td><td></td></tr><tr><td>IDL</td><td>Exelis Visual Information Solutions</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Neutravidin&amp;nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>PI-31000</td><td></td></tr><tr><td>Coverslip</td><td>Fisherbrand&amp;nbsp;</td><td>22X30-1.5</td><td>0.16-0.19 mm thick</td></tr><tr><td>Microscope slide</td><td>Gold Seal Microslides&amp;nbsp;</td><td>30103X1</td><td>0.93-1.05 mm thick</td></tr><tr><td>Plasma cleaner</td><td>Harrick Plasma</td><td>PDC-001</td><td></td></tr><tr><td>Glass bottom dish&amp;nbsp;</td><td>In Vitro Scientific</td><td>D35-20-1.5-N</td><td></td></tr><tr><td>Cy3-DNA oligos</td><td>Integrated DNA Technologies</td><td></td><td>5&#039;-Cy3/GCCTCGCTGCCGTCGCCA-3&#039;Bio</td></tr><tr><td>Fluorescent beads&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>T-7280</td><td></td></tr><tr><td>Qdot 605-streptavidin&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>Q10101MP</td><td></td></tr><tr><td>Qdot605&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>Q21301MP</td><td></td></tr><tr><td>Qdot705</td><td>Invitrogen</td><td>Q22021MP&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Qdot705 Antibody Conjugation Kit</td><td>Invitrogen</td><td>Q22061MP</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Optical table</td><td>Newport Corp</td><td></td><td>RS4000 Series</td></tr><tr><td>60X Objective</td><td>Nikon</td><td>Plan Apo VC 60x WI</td><td></td></tr><tr><td>100X Objective</td><td>Olympus</td><td>PlanApo 100X/1.45 Oil &amp;infin;/0.17</td><td></td></tr><tr><td>60X Objective</td><td>Olympus</td><td>UPlanApo 60X/1.20W</td><td></td></tr><tr><td>Inverted microscope</td><td>Olympus</td><td>IX71/IX70/IX81</td><td></td></tr><tr><td>Origin</td><td>OriginLab</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Anti-FLAG antibody</td><td>Sigma Aldrich</td><td>F7425-.2MG</td><td></td></tr><tr><td>ATP</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A7699</td><td></td></tr><tr><td>BME&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>63689-25ML-F</td><td></td></tr><tr><td>BSA</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A7906</td><td></td></tr><tr><td>BSA-biotin</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A8549-10MG</td><td></td></tr><tr><td>CK</td><td>Sigma Aldrich</td><td>C3755</td><td>Creatine Phosphokinase from rabbit muscle</td></tr><tr><td>CP</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P1937</td><td>Phosphocreatine di(tris) salt</td></tr><tr><td>DTT</td><td>Sigma Aldrich</td><td>43815</td><td>DL-Dithiothreitol</td></tr><tr><td>EGTA</td><td>Sigma Aldrich</td><td>E3889</td><td>Ethylene glycol-bis(2-aminoethylether)-&lt;em&gt;N,N,N&amp;prime;,N&amp;prime;&lt;/em&gt;-tetraacetic acid</td></tr><tr><td>HCl&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>93363-500G</td><td></td></tr><tr><td>HEPES&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>H0887</td><td></td></tr><tr><td>KCl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P9333</td><td></td></tr><tr><td>MgCl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M1028</td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S7653</td><td></td></tr><tr><td>PCA</td><td>Sigma Aldrich</td><td>03930590</td><td>Protocatechuic acid&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>PCD</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P8279</td><td>Protocatechuate-3,4-dioxygenase&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>TMOS</td><td>Sigma Aldrich</td><td>341436-25G</td><td>Tetramethyl orthosilicate</td></tr><tr><td>Tris-HCl&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>93363</td><td></td></tr><tr><td>Trolox</td><td>Sigma Aldrich</td><td>238813</td><td>6-hydroxy-2,5,7,8-tetramethylchromane-2-carboxylic acid</td></tr><tr><td>1&amp;rdquo; diameter broadband dielectric mirrors with mounts</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>BB1-E02, KM100</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>&amp;frac12;&amp;rdquo; diameter posts</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>TR4</td><td>Quantity &amp;ge; 6</td></tr><tr><td>10X beam expander</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>BE10M-A</td><td></td></tr><tr><td>2&amp;rdquo; diameter f = 300 mm lens with mount</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>LA1256-A, LMR2</td><td>TIR lens</td></tr><tr><td>Fluorescent alignment target&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>VRC2SM1</td><td></td></tr><tr><td>Laser safety goggles</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>LG3</td><td></td></tr><tr><td>ND filter(s)</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>FW1AND</td><td></td></tr><tr><td>Optical beam profiler</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>BP209-VIS</td><td></td></tr><tr><td>Post-mounted iris diaphragm</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>ID25</td><td>Quantity: 2</td></tr><tr><td>Shearing interferometer</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>SI100</td><td></td></tr><tr><td>XYZ translation stage, &amp;frac12;&amp;rdquo; travel&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs&amp;nbsp;</td><td>T12XYZ</td><td></td></tr><tr><td>Laser</td><td>World Star Technologies&amp;nbsp;</td><td>TECGL-30</td><td>532 nm, 30 mW</td></tr></tbody></table>

fluorescence imaging with one-nanometer accuracy (fiona)

Imagens de fluorescência com uma precisão de um nanômetro (Fiona) é uma técnica simples, mas útil para localizar fluorophores individuais com precisão nanométrica no plano xy. Aqui um resumo da técnica FIONA é relatado e exemplos de pesquisas que têm sido realizados utilizando FIONA são descritas resumidamente. Em primeiro lugar, como configurar o equipamento necessário para experimentos de FIONA, ou seja, um total de microscopia de fluorescência de reflexão interna (TIRFM), com detalhes sobre o alinhamento da ótica, é descrito. Em seguida, como para realizar uma experiência simples fIONA em localizar moléculas imobilizadas com Cy3 de ADN individuais utilizando os protocolos apropriados, seguindo-se a utilização de fIONA para medir o tamanho do passo de 36 nm, de um único motor de miosina Va truncado marcado com um quantum dot, é ilustrado. Por fim, o esforço recente para estender a aplicação da FIONA para amostras espessas é relatado. Mostra-se que, utilizando uma objectiva de imersão em água e pontos quânticos embebido profundamente em sol-gel e córneas do olho de coelho (&gt;200 mm), a precisão da localização 2-3 nm pode ser atingida.

A configuração típica TIRFM tipo objetivo é mostrado na Figura 3. Primeiro, amostra Cy3-DNA imobilizado na superfície foi fotografada. Uma imagem típica é mostrada na Figura 4a. A imagem foi feita com tempo de exposição de 0,5 seg, com ganho EM = 50 e sensibilidade CCD = 12,13 para a câmera. A função de espalhamento-ponto (PSF) de uma única molécula de DNA com Cy3 é mostrado na Figura 4b (a partir do local indicado pela seta da Figura 4-A),</stron...

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Fluorescence Imaging with One-nanometer Accuracy FIONA

Fluorophores individuais podem ser localizados com precisão nanométrica usando FIONA. Aqui um resumo da técnica FIONA é relatado, e como a realização de experimentos Fiona é descrito.

Imagens de fluorescência com um nanômetros Precisão (Fiona)

Fluorescence imaging with one-nanometer accuracy (FIONA) is a simple but useful technique for localizing single fluorophores with nanometer precision in ...

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Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Biology

Fluorescence Imaging with One-nanometer Accuracy (FIONA)

17.6K visualizações.  University of Illinois at Urbana-Champaign.  Fluorophores individuais podem ser localizados com precisão nanométrica usando FIONA. Aqui um resumo da técnica FIONA é relatado, e como a realização de experimentos Fiona é descrito. 

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Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the spatial and temporal heterogeneity of molecular behaviors that underlie cellular biology 1-4. To image an individual molecule of interest, it is typically conjugated to a fluorescent tag (dye, protein, bead, or quantum dot) and observed with epifluorescence or total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. While dyes and fluorescent proteins have been the mainstay of fluorescence imaging for decades, their fluorescence is unstable under high photon fluxes necessary to observe individual molecules, yielding only a few seconds of observation before complete loss of signal. Latex beads and dye-labeled beads provide improved signal stability but at the expense of drastically larger hydrodynamic size, which can deleteriously alter the diffusion and behavior of the molecule under study.
Quantum dots (QDs) offer a balance between these two problematic regimes. These nanoparticles are composed of semiconductor materials and can be engineered with a hydrodynamically compact size with exceptional resistance to photodegradation 5. Thus in recent years QDs have been instrumental in enabling long-term observation of complex macromolecular behavior on the single molecule level. However these particles have still been found to exhibit impaired diffusion in crowded molecular environments such as the cellular cytoplasm and the neuronal synaptic cleft, where their sizes are still too large 4,6,7.
Recently we have engineered the cores and surface coatings of QDs for minimized hydrodynamic size, while balancing offsets to colloidal stability, photostability, brightness, and nonspecific binding that have hindered the utility of compact QDs in the past 8,9. The goal of this article is to demonstrate the synthesis, modification, and characterization of these optimized nanocrystals, composed of an alloyed HgxCd1-xSe core coated with an insulating CdyZn1-yS shell, further coated with a multidentate polymer ligand modified with short polyethylene glycol (PEG) chains (Figure 1). Compared with conventional CdSe nanocrystals, HgxCd1-xSe alloys offer greater quantum yields of fluorescence, fluorescence at red and near-infrared wavelengths for enhanced signal-to-noise in cells, and excitation at non-cytotoxic visible wavelengths. Multidentate polymer coatings bind to the nanocrystal surface in a closed and flat conformation to minimize hydrodynamic size, and PEG neutralizes the surface charge to minimize nonspecific binding to cells and biomolecules. The end result is a brightly fluorescent nanocrystal with emission between 550-800 nm and a total hydrodynamic size near 12 nm. This is in the same size range as many soluble globular proteins in cells, and substantially smaller than conventional PEGylated QDs (25-35 nm).

We describe the preparation of colloidal quantum dots with minimized hydrodynamic size for single-molecule fluorescence imaging. Compared to conventional quantum dots, these nanoparticles are similar in size to globular proteins and are optimized for single-molecule brightness, stability against photodegradation, and resistance to nonspecific binding to proteins and cells.

Compactas pontos quânticos para uma única molécula de imagem

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

Engenharia

Lensless Fluorescent Microscopy on a Chip

On-chip lensless imaging in general aims to replace bulky lens-based optical microscopes with simpler and more compact designs, especially for high-throughput screening applications. This emerging technology platform has the potential to eliminate the need for bulky and/or costly optical components through the help of novel theories and digital reconstruction algorithms. Along the same lines, here we demonstrate an on-chip fluorescent microscopy modality that can achieve e.g., &lt;4&mu;m spatial resolution over an ultra-wide field-of-view (FOV) of &gt;0.6-8 cm2 without the use of any lenses, mechanical-scanning or thin-film based interference filters. In this technique, fluorescent excitation is achieved through a prism or hemispherical-glass interface illuminated by an incoherent source. After interacting with the entire object volume, this excitation light is rejected by total-internal-reflection (TIR) process that is occurring at the bottom of the sample micro-fluidic chip. The fluorescent emission from the excited objects is then collected by a fiber-optic faceplate or a taper and is delivered to an optoelectronic sensor array such as a charge-coupled-device (CCD). By using a compressive-sampling based decoding algorithm, the acquired lensfree raw fluorescent images of the sample can be rapidly processed to yield e.g., &lt;4&mu;m resolution over an FOV of &gt;0.6-8 cm2. Moreover, vertically stacked micro-channels that are separated by e.g., 50-100 &mu;m can also be successfully imaged using the same lensfree on-chip microscopy platform, which further increases the overall throughput of this modality. This compact on-chip fluorescent imaging platform, with a rapid compressive decoder behind it, could be rather valuable for high-throughput cytometry, rare-cell research and microarray-analysis.

A lensless on-chip fluorescent microscopy platform is demonstrated that can image fluorescent objects over an ultra-wide field-of-view of e.g., &#62;0.6-8 cm2 with &#60;4&#956;m resolution using a compressive sampling based decoding algorithm. Such a compact and wide-field fluorescent on-chip imaging modality could be valuable for high-throughput cytometry, rare-cell research and microarray-analysis.

Microscopia fluorescente sem lente em um Chip

On-chip lensless imaging in general aims to replace bulky lens-based optical microscopes with simpler and more compact designs, especially for ...

Bioengenharia

Imaging Subcellular Structures in the Living Zebrafish Embryo

In vivo imaging provides unprecedented access to the dynamic behavior of cellular and subcellular structures in their natural context. Performing such imaging experiments in higher vertebrates such as mammals generally requires surgical access to the system under study. The optical accessibility of embryonic and larval zebrafish allows such invasive procedures to be circumvented and permits imaging in the intact organism. Indeed the zebrafish is now a well-established model to visualize dynamic cellular behaviors using in vivo microscopy in a wide range of developmental contexts from proliferation to migration and differentiation. A more recent development is the increasing use of zebrafish to study subcellular events including mitochondrial trafficking and centrosome dynamics. The relative ease with which these subcellular structures can be genetically labeled by fluorescent proteins and the use of light microscopy techniques to image them is transforming the zebrafish into an in vivo model of cell biology. Here we describe methods to generate genetic constructs that fluorescently label organelles, highlighting mitochondria and centrosomes as specific examples. We use the bipartite Gal4-UAS system in multiple configurations to restrict expression to specific cell-types and provide protocols to generate transiently expressing and stable transgenic fish. Finally, we provide guidelines for choosing light microscopy methods that are most suitable for imaging subcellular dynamics.

Imaging the dynamic behavior of organelles and other subcellular structures in vivo can shed light on their function in physiological and disease conditions. Here, we present methods for genetically tagging two organelles, centrosomes and mitochondria, and imaging their dynamics in living zebrafish embryos using wide-field and confocal microscopy.

Imagiologia estruturas celulares no embrião vivo Zebrafish

In vivo imaging provides unprecedented access to the dynamic behavior of cellular and subcellular structures in their natural context. Performing such ...

Biologia do Desenvolvimento

High-resolution Spatiotemporal Analysis of Receptor Dynamics by Single-molecule Fluorescence Microscopy

Single-molecule microscopy is emerging as a powerful approach to analyze the behavior of signaling molecules, in particular concerning those aspect (e.g., kinetics, coexistence of different states and populations, transient interactions), which are typically hidden in ensemble measurements, such as those obtained with standard biochemical or microscopy methods. Thus, dynamic events, such as receptor-receptor interactions, can be followed in real time in a living cell with high spatiotemporal resolution. This protocol describes a method based on labeling with small and bright organic fluorophores and total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy to directly visualize single receptors on the surface of living cells. This approach allows one to precisely localize receptors, measure the size of receptor complexes, and capture dynamic events such as transient receptor-receptor interactions. The protocol provides a detailed description of how to perform a single-molecule experiment, including sample preparation, image acquisition and image analysis. As an example, the application of this method to analyze two G-protein-coupled receptors, i.e., &#946;2-adrenergic and &#947;-aminobutyric acid type B (GABAB) receptor, is reported. The protocol can be adapted to other membrane proteins and different cell models, transfection methods and labeling strategies.

This protocol describes how to use total internal reflection fluorescence microscopy to visualize and track single receptors on the surface of living cells and thereby analyze receptor lateral mobility, size of receptor complexes as well as to visualize transient receptor-receptor interactions. This protocol can be extended to other membrane proteins.

De alta resolução espacial e temporal Análise de Receptor Dynamics por uma única molécula de microscopia de fluorescência

Single-molecule microscopy is emerging as a powerful approach to analyze the behavior of signaling molecules, in particular concerning those aspect (e.g., ...

From Fast Fluorescence Imaging to Molecular Diffusion Law on Live Cell Membranes in a Commercial Microscope

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the regulation of many cellular functions. However, due to the fast dynamics and the tiny structures involved, a very high spatio-temporal resolution is required to catch the real behavior of molecules. Here we present the experimental protocol for studying the dynamics of fluorescently-labeled plasma-membrane proteins and lipids in live cells with high spatiotemporal resolution. Notably, this approach doesn&#8217;t need to track each molecule, but it calculates population behavior using all molecules in a given region of the membrane. The starting point is a fast imaging of a given region on the membrane. Afterwards, a complete spatio-temporal autocorrelation function is calculated correlating acquired images at increasing time delays, for example each 2, 3, n repetitions. It is possible to demonstrate that the width of the peak of the spatial autocorrelation function increases at increasing time delay as a function of particle movement due to diffusion. Therefore, fitting of the series of autocorrelation functions enables to extract the actual protein mean square displacement from imaging (iMSD), here presented in the form of apparent diffusivity vs average displacement. This yields a quantitative view of the average dynamics of single molecules with nanometer accuracy. By using a GFP-tagged variant of the Transferrin Receptor (TfR) and an ATTO488 labeled 1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (PPE) it is possible to observe the spatiotemporal regulation of protein and lipid diffusion on &#181;m-sized membrane regions in the micro-to-milli-second time range.

Spatial distribution and temporal dynamics of plasma membrane proteins and lipids is a hot topic in biology. Here this issue is addressed by a spatio-temporal image fluctuation analysis that provides conceptually the same physical quantities of single particle tracking, but it uses small molecular labels and standard microscopy setups.

De fast imagens de fluorescência com a Lei difusão molecular em membranas de células vivas em um microscópio comercial

It has become increasingly evident that the spatial distribution and the motion of membrane components like lipids and proteins are key factors in the ...

Conducting Multiple Imaging Modes with One Fluorescence Microscope

Fluorescence microscopy is a powerful tool to detect biological molecules in situ and monitor their dynamics and interactions in real-time. In addition to conventional epi-fluorescence microscopy, various imaging techniques have been developed to achieve specific experimental goals. Some of the widely used techniques include single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET), which can report conformational changes and molecular interactions with angstrom resolution, and single-molecule detection-based super-resolution (SR) imaging, which can enhance the spatial resolution approximately ten&#160;to twentyfold compared to diffraction-limited microscopy. Here we present a customer-designed integrated system, which merges multiple imaging methods in one microscope, including conventional epi-fluorescent imaging, single-molecule detection-based SR imaging, and multi-color single-molecule detection, including smFRET imaging. Different imaging methods can be achieved easily and reproducibly by switching optical elements. This set-up is easy to adopt by any research laboratory in biological sciences with a need for routine and diverse imaging experiments at a reduced cost and space relative to building separate microscopes for individual purposes.

Here we present a practical guide of building an integrated microscopy system, which merges conventional epi-fluorescent imaging, single-molecule detection-based super-resolution imaging, and multi-color single-molecule detection, including single-molecule fluorescence resonance energy transfer imaging, into one set-up in a cost-efficient way.

Realização de vários modos de imagem com um microscópio de fluorescência

Fluorescence microscopy is a powerful tool to detect biological molecules in situ and monitor their dynamics and interactions in real-time. In addition to ...

Three-dimensional Imaging of Bacterial Cells for Accurate Cellular Representations and Precise Protein Localization

The shape of a bacterium is important for its physiology. Many aspects of cell physiology such as cell motility, predation, and biofilm production can be affected by cell shape. Bacterial cells are three-dimensional (3D) objects, although they are rarely treated as such. Most microscopy techniques result in two-dimensional (2D) images leading to the loss of data pertaining to the actual 3D cell shape and localization of proteins. Certain shape parameters, such as Gaussian curvature (the product of the two principal curvatures), can only be measured in 3D because 2D images do not measure both principal curvatures. Additionally, not all cells lie flat when mounting and 2D imaging of curved cells may not accurately represent the shapes of these cells. Accurately measuring protein localization in 3D can help determine the spatial regulation and function of proteins. A forward convolution technique has been developed that uses the blurring function of the microscope to reconstruct 3D cell shapes and to accurately localize proteins. Here, a protocol for preparing and mounting samples for live cell imaging of bacteria in 3D both to reconstruct an accurate cell shape and to localize proteins is described. The method is based on simple sample preparation, fluorescent image acquisition, and MATLAB-based image processing. Many high-quality fluorescent microscopes can be simply modified to take these measurements. These cell reconstructions are computationally intensive and access to high-throughput computational resources is recommended, although not necessary. This method has been successfully applied to multiple bacterial species and mutants, fluorescent imaging modalities, and microscope manufacturers.

This protocol explains how to prepare and mount bacterial samples for live three-dimensional imaging and how to reconstruct the three-dimensional shape of E. coli from those images.

Imagem tridimensional de células bacterianas para representações celulares precisas e localização precisa de proteínas

The shape of a bacterium is important for its physiology. Many aspects of cell physiology such as cell motility, predation, and biofilm production can be ...

Imunologia e Infecção

Super-resolution Imaging of the Bacterial Division Machinery

Bacterial cell division requires the coordinated assembly of more than ten essential proteins at midcell1,2. Central to this process is the formation of a ring-like suprastructure (Z-ring) by the FtsZ protein at the division plan3,4. The Z-ring consists of multiple single-stranded FtsZ protofilaments, and understanding the arrangement of the protofilaments inside the Z-ring will provide insight into the mechanism of Z-ring assembly and its function as a force generator5,6. This information has remained elusive due to current limitations in conventional fluorescence microscopy and electron microscopy. Conventional fluorescence microscopy is unable to provide a high-resolution image of the Z-ring due to the diffraction limit of light (~200 nm). Electron cryotomographic imaging has detected scattered FtsZ protofilaments in small C. crescentus cells7, but is difficult to apply to larger cells such as E. coli or B. subtilis. Here we describe the application of a super-resolution fluorescence microscopy method, Photoactivated Localization Microscopy (PALM), to quantitatively characterize the structural organization of the E. coli Z-ring8.
	PALM imaging offers both high spatial resolution (~35 nm) and specific labeling to enable unambiguous identification of target proteins. We labeled FtsZ with the photoactivatable fluorescent protein mEos2, which switches from green fluorescence (excitation = 488 nm) to red fluorescence (excitation = 561 nm) upon activation at 405 nm9. During a PALM experiment, single FtsZ-mEos2 molecules are stochastically activated and the corresponding centroid positions of the single molecules are determined with &lt;20 nm precision. A super-resolution image of the Z-ring is then reconstructed by superimposing the centroid positions of all detected FtsZ-mEos2 molecules.
	Using this method, we found that the Z-ring has a fixed width of ~100 nm and is composed of a loose bundle of FtsZ protofilaments that overlap with each other in three dimensions. These data provide a springboard for further investigations of the cell cycle dependent changes of the Z-ring10 and can be applied to other proteins of interest.

We describe a super-resolution imaging method to probe the structural organization of the bacterial FtsZ-ring, an essential apparatus for cell division. This method is based on quantitative analyses of photoactivated localization microscopy (PALM) images and can be applied to other bacterial cytoskeletal proteins.

Super-Resolution Imaging da Divisão de Máquinas bacteriana

Bacterial cell division requires the coordinated  assembly of more than ten essential proteins at midcell1,2. Central  to this process is the formation of ...

Biologia

Simultaneous Multicolor Imaging of Biological Structures with Fluorescence Photoactivation Localization Microscopy

Localization-based super resolution microscopy can be applied to obtain a spatial map (image) of the distribution of individual fluorescently labeled single molecules within a sample with a spatial resolution of tens of nanometers. Using either photoactivatable (PAFP) or&#160;photoswitchable (PSFP) fluorescent proteins fused to proteins of interest, or organic dyes conjugated to antibodies or other molecules of interest, fluorescence photoactivation localization microscopy (FPALM) can simultaneously image multiple species of molecules within single cells. By using the following approach, populations of large numbers (thousands to hundreds of thousands) of individual molecules are imaged in single cells and localized with a precision of ~10-30 nm. Data obtained can be applied to understanding the nanoscale spatial distributions of multiple protein types within a cell. One primary advantage of this technique is the dramatic increase in spatial resolution: while diffraction limits resolution to ~200-250 nm in conventional light microscopy, FPALM can image length scales more than an order of magnitude smaller. As many biological hypotheses concern the spatial relationships among different biomolecules, the improved resolution of FPALM can provide insight into questions of cellular organization which have previously been inaccessible to conventional fluorescence microscopy. In addition to detailing the methods for sample preparation and data acquisition, we here describe the optical setup for FPALM. One additional consideration for researchers wishing to do super-resolution microscopy is cost: in-house setups are significantly cheaper than most commercially available imaging machines. Limitations of this technique include the need for optimizing the labeling of molecules of interest within cell samples, and the need for post-processing software to visualize results. We here describe the use of PAFP and PSFP expression to image two protein species in fixed cells. Extension of the technique to living cells is also described.

We demonstrate the use of fluorescence photo activation localization microscopy (FPALM) to simultaneously image multiple types of fluorescently labeled molecules&#160;within cells. The techniques described yield the localization of thousands to hundreds of thousands of individual fluorescent labeled proteins, with a precision of tens of nanometers&#160;within single cells.

Simultânea Multicolor Imagem de Estruturas Biológicas com fluorescência Fotoativação Localização Microscopia

Localization-based super resolution microscopy can be applied to obtain a spatial map (image) of the distribution of individual fluorescently labeled ...

Combining Single-molecule Manipulation and Imaging for the Study of Protein-DNA Interactions

The paper describes the combination of optical tweezers and single molecule fluorescence detection for the study of protein-DNA interaction. The method offers the opportunity of investigating interactions occurring in solution (thus avoiding problems due to closeby surfaces as in other single molecule methods), controlling the DNA extension and tracking interaction dynamics as a function of both mechanical parameters and DNA sequence. The methods for establishing successful optical trapping and nanometer localization of single molecules are illustrated. We illustrate the experimental conditions allowing the study of interaction of lactose repressor (lacI), labeled with Atto532, with a DNA molecule containing specific target sequences (operators) for LacI binding. The method allows the observation of specific interactions at the operators, as well as one-dimensional diffusion of the protein during the process of target search. The method is broadly applicable to the study of protein-DNA interactions but also to molecular motors, where control of the tension applied to the partner track polymer (for example actin or microtubules) is desirable.

Here we describe the instrumentation and methods for detecting single fluorescently-labeled protein molecules interacting with a single DNA molecule suspended between two optically trapped microspheres.

Combinando uma única molécula de Manipulação e imagem para o estudo das interações proteína-DNA

The paper describes the combination of optical tweezers and single molecule fluorescence detection for the study of protein-DNA interaction. The method ...