ABSTRACT Current methods for single-molecule orientation localization microscopy (SMOLM) require optical setups and algorithms that can be prohibitively slow and complex, limiting the widespread adoption for biological applications. We present POLCAM, a simplified SMOLM method based on polarized detection using a polarization camera, that can be easily implemented on any wide-field fluorescence microscope. To make polarization cameras compatible with single-molecule detection, we developed theory to minimize field of view errors, used simulations to optimize experimental design, and developed a fast algorithm based on Stokes parameter estimation which can operate over 1000 fold faster than the state of the art, enabling near instant determination of molecular anisotropy. To aid in the adoption of POLCAM, we developed open-source image analysis software; a napari plugin for visualization of high-dimensional diffraction-limited polarization camera datasets, and a website detailing hardware installation and software use. To illustrate the potential of POLCAM in the life sciences, we applied our method to study both alpha-synuclein fibrils and the actin cytoskeleton of mammalian cells. To demonstrate that POLCAM also allows diffraction-limited imaging, we demonstrate POLCAM imaging actin in fibroblast-like cells and the plasma membrane of live human T cells.

Points for accumulation in nanoscale topography (PAINT) allows the acquisition of practically unlimited measurements in localisation microscopy. However, PAINT is inherently limited by unwanted background fluorescence at high probe concentrations, especially in large depth-of-field volumetric imaging techniques. Here we present reservoir-PAINT (resPAINT), in which we combine PAINT with active control of probe photophysics. In resPAINT, a ‘reservoir’ of non-fluorescent activatable probes accumulate on the target, which makes it possible to drastically improve the localisation rate (by up to 50-fold) compared to conventional PAINT, without any compromise in contrast. By combining resPAINT with large depth-of-field microscopy, we demonstrate volumetric super-resolution imaging of entire cell surfaces. We then generalise the approach by implementing multiple switching strategies, including photoactivation and spontaneous blinking. We also implement alternative volumetric imaging modalities including the double-helix pointspread function, the tetrapod point-spread function and singlemolecule light field microscopy. Finally, we show that resPAINT can be used with a Fab to image membrane proteins, effectively extending the operating regime of conventional PAINT to encompass a larger range of biological interactions.

Volumetric super-resolution microscopy typically encodes the 3D position of single-molecule fluorescence into a 2D image by changing the shape of the point spread function (PSF) as a function of depth. However, the resulting large and complex PSF spatial footprints reduce temporal resolution by requiring lower labelling densities to avoid overlapping fluorescent signals. We quantitatively compare the density dependence of single-molecule light field microscopy (SMLFM) to other 3D PSFs (astigmatism, double helix and tetrapod) showing that SMFLM enables an order-of-magnitude speed improvement compared to the double helix PSF by resolving overlapping emitters through parallax. We then experimentally demonstrate the high accuracy (>99.2 ± 0.1%, 0.1 locs μm −2 ) and sensitivity (>86.6 ± 0.9%, 0.1 locs μm −2 ) of SMLFM at point detection through whole-cell (scan-free) imaging and tracking of single membrane proteins in live primary B cells. We also exemplify high density volumetric imaging (0.15 locs μm −2 ) in dense cytosolic tubulin datasets.

Abstract While the biochemistry of gene transcription has been well studied, our understanding of how this process is organised in 3D within the intact nucleus is less well understood. Here we investigate the structure of actively transcribed chromatin and the architecture of its interaction with active RNA polymerase. For this analysis, we have used super-resolution microscopy to image the Drosophila melanogaster Y loops which represent huge, several megabases long, single transcription units. The Y loops provide a particularly amenable model system for transcriptionally active chromatin. We find that, although these transcribed loops are decondensed they are not organised as extended 10nm fibres, but rather they largely consist of chains of nucleosome clusters. The average width of each cluster is around 50nm. We find that foci of active RNA polymerase are generally located off the main fibre axis on the periphery of the nucleosome clusters. Foci of RNA polymerase and nascent transcripts are distributed around the Y loops rather than being clustered in individual transcription factories. However, as the RNA polymerase foci are considerably less prevalent than the nucleosome clusters, the organisation of this active chromatin into chains of nucleosome clusters is unlikely to be determined by the activity of the polymerases transcribing the Y loops. These results provide a foundation for understanding the topological relationship between chromatin and the process of gene transcription.

We introduce single molecule light field microscopy (SMLFM), a novel 3D single molecule localization technique that is capable of up to 20 nm isotropic precision across a 6 μ m depth of field. SMLFM can be readily implemented by installing a refractive microlens array into the conjugate back focal plane of any widefield single molecule localization system. We demonstrate that 3D localization can be performed by post-processing 2D localization data generated by common, widely-used, algorithms. In this work we benchmark the performance of SMLFM and finally showcase its capabilities by imaging fluorescently labeled membranes of fixed eukaryotic cells below the diffraction limit.

We introduce vortex light field microscopy (VLFM), a novel method for snapshot 3D spectral single-molecule localization microscopy. Inspired by the azimuthal phase profile of optical vortices, we place an azimuthally oriented prism array immediately after the microlens array in a Fourier light field microscope (FLFM). This innovative arrangement causes the axial position and spectral peak for a point emitter to be encoded in the radial and azimuthal displacement of point-spread-function (PSF) respectively. This enables simultaneous detection of 3D position and emission peak of individual fluorophores with 25 nm spatial precision and 3 nm spectral precision over a 4 μ m depth of field (DOF). We illustrate the spectral scalability of our method by performing four-color 3D single particle tracking of freely diffusing fluorescent beads, and two-color 3D dSTORM imaging of microtubules and mitochondria in fixed COS-7 cells, without the need for spectrally distinct fluorophores.

Single molecule localisation microscopy (SMLM) has opened a new window for imaging fluorescently labelled biological specimens. Common 3D SMLM techniques enable data collection across an axial range of 1 - 5μm with high precision. Despite the success of 3D single molecule imaging there is a real need to image larger volumes. Here we demonstrate, through simulation and experiment, the potential of Single Molecule Light Field Microscopy (SMLFM) for extended depth-of-field super-resolution imaging, extracting 3D point source position by measuring the disparity between localizations of a point emitter in multiple perspective views.