Cholesterol and sphingomyelin form together a highly ordered membrane phase, which is believed to play important biological functions in plasma membranes of mammalian cells. Since sphingomyelin is present mainly at the outer leaflet of cell membranes, monitoring its lipid order requires molecular probes capable to bind specifically at this leaflet and exhibit negligibly slow flip-flop. In the present work, such a probe was developed by modifying the solvatochromic fluorescent dye Nile Red with an amphiphilic anchor group. To evaluate the flip-flop of the obtained probe (NR12S), we developed a methodology of reversible redox switching of its fluorescence at one leaflet using sodium dithionite. This method shows that NR12S, in contrast to parent Nile Red, binds exclusively the outer membrane leaflet of model lipid vesicles and living cells with negligible flip-flop in the time scale of hours. Moreover, the emission maximum of NR12S in model vesicles exhibits a significant blue shift in liquid ordered phase (sphingomyelin-cholesterol) as compared to liquid disordered phase (unsaturated phospholipids). As a consequence, these two phases could be clearly distinguished in NR12S-stained giant vesicles by fluorescence microscopy imaging of intensity ratio between the blue and red parts of the probe emission spectrum. Being added to living cells, NR12S binds predominantly, if not exclusively, their plasma membranes and shows an emission spectrum intermediate between those in liquid ordered and disordered phases of model membranes. Importantly, the emission color of NR12S correlates well with the cholesterol content in cell membranes, which allows monitoring the cholesterol depletion process with methyl-beta-cyclodextrin by fluorescence spectroscopy and microscopy. The attractive photophysical and switching properties of NR12S, together with its selective outer leaflet staining and sensitivity to cholesterol and lipid order, make it a new powerful tool for studying model and cell membranes.

Photomodulable fluorescent probes are drawing increasing attention due to their applications in advanced bioimaging. Whereas photoconvertible probes can be advantageously used in tracking, photoswitchable probes constitute key tools for single-molecule localization microscopy to perform super-resolution imaging. Herein, we shed light on a red and far-red BODIPY, namely, BDP-576 and BDP-650, which possess both properties of conversion and switching. Our study demonstrates that these pyrrolyl-BODIPYs convert into typical green- and red-emitting BODIPYs that are perfectly adapted to microscopy. We also showed that this pyrrolyl-BODIPYs undergo Directed Photooxidation Induced Conversion, a photoconversion mechanism that we recently introduced, where the pyrrole moiety plays a central role. These unique features were used to develop targeted photoconvertible probes toward different organelles or subcellular units (plasma membrane, mitochondria, nucleus, actin, Golgi apparatus, etc.) using chemical targeting moieties and a Halo tag. We notably showed that BDP-650 could be used to track intracellular vesicles over more than 20 min in two-color imagings with laser scanning confocal microscopy, demonstrating its robustness. The switching properties of these photoconverters were studied at the single-molecule level and were then successfully used in live single-molecule localization microscopy in epithelial cells and neurons. Both membrane- and mitochondria- targeted probes could be used to decipher membrane 3D architecture and mitochondrial dynamics at the nanoscale. This study builds a bridge between the photoconversion and photoswitching properties of probes undergoing directed photooxidation and shows the versatility and efficacy of this mechanism in advanced live imaging.

DNA origami nanostructures (DOs) are promising tools for applications including drug delivery, biosensing, detecting biomolecules, and probing chromatin substructures. Targeting these nanodevices to mammalian cell nuclei could provide impactful approaches for probing, visualizing, and controlling biomolecular processes within live cells. We present an approach to deliver DOs into live-cell nuclei. We show that these DOs do not undergo detectable structural degradation in cell culture media or cell extracts for 24 hours. To deliver DOs into the nuclei of human U2OS cells, we conjugated 30-nanometer DO nanorods with an antibody raised against a nuclear factor, specifically the largest subunit of RNA polymerase II (Pol II). We find that DOs remain structurally intact in cells for 24 hours, including inside the nucleus. We demonstrate that electroporated anti–Pol II antibody–conjugated DOs are piggybacked into nuclei and exhibit subdiffusive motion inside the nucleus. Our results establish interfacing DOs with a nuclear factor as an effective method to deliver nanodevices into live-cell nuclei.

DNA origami (DO) are promising tools for in vitro or in vivo applications including drug delivery; biosensing, detecting biomolecules; and probing chromatin sub-structures. Targeting these nanodevices to mammalian cell nuclei could provide impactful approaches for probing visualizing and controlling important biological processes in live cells. Here we present an approach to deliver DO strucures into live cell nuclei. We show that labelled DOs do not undergo detectable structural degradation in cell culture media or human cell extracts for 24 hr. To deliver DO platforms into the nuclei of human U2OS cells, we conjugated 30 nm long DO nanorods with an antibody raised against the largest subunit of RNA Polymerase II (Pol II), a key enzyme involved in gene transcription. We find that DOs remain structurally intact in cells for 24hr, including within the nucleus. Using fluorescence microscopy we demonstrate that the electroporated anti-Pol II antibody conjugated DOs are efficiently piggybacked into nuclei and exihibit sub-diffusive motion inside the nucleus. Our results reveal that functionalizing DOs with an antibody raised against a nuclear factor is a highly effective method for the delivery of nanodevices into live cell nuclei.

Abstract Photoactivatable fluorescent probes are valuable tools in bioimaging for tracking cells down to single molecules and for single molecule localization microscopy. For the latter application, green emitting dyes are in demand. We herein developed an efficient green-emitting photoactivatable furanyl-BODIPY (PFB) and we established a new mechanism of photoactivation called Directed Photooxidation Induced Activation (DPIA) where the furan is photo-oxidized in a directed manner by the singlet oxygen produced by the probe. The efficient photoconverter (93-fold fluorescence enhancement at 510 nm, 49% yield conversion) is functionalizable and allowed targeting of several subcellular structures and organelles, which were photoactivated in live cells. Finally, we demonstrated the potential of PFB in super-resolution imaging by performing PhotoActivated Localization Microscopy (PALM) in live cells.

ABSTRACT Photomodulable fluorescent probes are drawing an increasing attention due to their applications in advanced bioimaging. Whereas photoconvertible probes can be advantageously used in tracking, photoswitchable probes constitute key tools for single molecule localization microscopy to perform super resolution imaging. Herein we shed light on a red and far-red BODIPY, namely BDP-576 and BDP-650 possessing both properties of conversion and switching. Our study demonstrates that theses pyrrolyl-BODIPYs respectively convert towards typical green- and red-emitting BODIPYs that are perfectly adapted to microscopy. We also showed that these pyrrolyl-BODIPYs undergo Directed Photooxidation Induced Conversion, a photoconversion mechanism that we recently introduced and where the pyrrole moiety plays a central role. These unique features were used to develop targeted photoconvertible probes towards different organelles or subcellular units (plasma membrane, mitochondria, nucleus, actin, Golgi apparatus, etc .) using chemical targeting moieties and Halo tag. We notably showed that BDP-650 could be used to track intracellular vesicles over more than 20 minutes in two color imaging with laser scanning confocal microscopy demonstrating its robustness. The switching properties of these photoconverters were studied at the single molecule level and were then successfully used in live Single Molecule Localization Microscopy in epithelial cells and neurons. Both membrane and mitochondria targeted probes could be used to decipher membrane 3D architecture and mitochondria dynamics at the nanoscale. This study builds a bridge between the photoconversion and photoswitching properties of probes undergoing directed photooxidation and shows the versatility and efficacy of this mechanism in live advanced imaging.

Efficient exciton transport is the essential property of natural and synthetic light-harvesting (LH) devices. Here we investigate exciton transport properties in LH organic polymer nanoparticles (ONPs) of 40 nm diameter. The ONPs are loaded with a rhodamine B dye derivative and bulky counterion, enabling dye loadings as high as 0.3 M, while preserving fluorescence quantum yields larger than 30%. We use time-resolved fluorescence spectroscopy to monitor exciton-exciton annihilation (EEA) kinetics within the ONPs dispersed in water. We demonstrate that unlike the common practice for photoluminescence investigations of EEA, the non-uniform intensity profile of the excitation light pulse must be taken into account to analyse reliably intensity-dependent population dynamics. Alternatively, a simple confocal detection scheme is demonstrated, which enables (i) retrieving the correct value for the bimolecular EEA rate which would otherwise be underestimated by a typical factor of three, and (ii) revealing minor EEA by-products otherwise unnoticed. Considering the ONPs as homogeneous rigid solutions of weakly interacting dyes, we postulate an incoherent exciton hoping mechanism to infer a diffusion constant exceeding 0.003 cm

The HIV-1 Gag precursor specifically selects the unspliced viral genomic RNA (gRNA) from the bulk of cellular and spliced viral RNAs via its nucleocapsid (NC) domain and drives gRNA encapsidation at the plasma membrane (PM). To further identify the determinants governing the intracellular trafficking of Gag-gRNA complexes and their accumulation at the PM, we compared, in living and fixed cells, the interactions between gRNA and wild-type (WT) Gag or Gag mutants carrying deletions in NC zinc fingers (ZFs), or a non-myristoylated version of Gag. Our data showed that the deletion of both ZFs simultaneously or the complete NC domain completely abolished intracytoplasmic Gag-gRNA interactions. Deletion of either ZF delayed the delivery of gRNA to the PM but did not prevent Gag-gRNA interactions in the cytoplasm, indicating that the two ZFs display redundant roles in this respect. However, ZF2 played a more prominent role than ZF1 in the accumulation of the ribonucleoprotein complexes at the PM. Finally, the myristate group which is mandatory for anchoring the complexes at the MP, was found to be dispensable for the association of Gag with the gRNA in the cytosol.

HIV-1 Gag polyprotein plays a pivotal role in assembly and budding of new particles, by specifically packaging two copies of viral gRNA in the host cell cytoplasm and selecting the cell plasma membrane for budding. Both gRNA and membrane selections are thought to be mediated by the compact form of Gag. This compact form binds to gRNA through both its matrix (MA) and nucleocapsid (NC) domains in the cytoplasm. At the plasma membrane, the membrane competes with gRNA for Gag binding, resulting in a transition to the extended form of Gag found in immature particles with MA bound to membrane lipids and NC to gRNA. The Gag compact form was previously evidenced in vitro. Here, we demonstrated the compact form of Gag in cells by confocal microscopy, using a bimolecular fluorescence complementation approach with a split-GFP bipartite system. Using wild-type Gag and Gag mutants, we showed that the compact form is highly dependent on the binding of MA and NC domains to RNA, as well as on interactions between MA and CA domains. In contrast, Gag multimerization appears to be less critical for the accumulation of the compact form. Finally, mutations altering the formation of Gag compact form led to a strong reduction in viral particle production and infectivity, revealing its key role in the production of infectious viral particles.