This paper reports an approach to map errors in super-resolution images, based on quantitative comparison to diffraction-limited equivalents. Super-resolution microscopy depends on steps that can contribute to the formation of image artifacts, leading to misinterpretation of biological information. We present NanoJ-SQUIRREL, an ImageJ-based analytical approach that provides quantitative assessment of super-resolution image quality. By comparing diffraction-limited images and super-resolution equivalents of the same acquisition volume, this approach generates a quantitative map of super-resolution defects and can guide researchers in optimizing imaging parameters.

Super-resolution microscopy has become essential for the study of nanoscale biological processes. This type of imaging often requires the use of specialised image analysis tools to process a large volume of recorded data and extract quantitative information. In recent years, our team has built an open-source image analysis framework for super-resolution microscopy designed to combine high performance and ease of use. We named it NanoJ - a reference to the popular ImageJ software it was de-veloped for. In this paper, we highlight the current capabilities of NanoJ for several essential processing steps: spatio-temporal alignment of raw data (NanoJ-Core), super-resolution image re-construction (NanoJ-SRRF), image quality assessment (NanoJ-SQUIRREL), structural modelling (NanoJ-VirusMapper) and control of the sample environment (NanoJ-Fluidics). We expect to expand NanoJ in the future through the development of new tools designed to improve quantitative data analysis and measure the reliability of fluorescent microscopy studies.

All poxviruses contain a set of proteinaceous structures termed lateral bodies (LB) that deliver viral effector proteins into the host cytosol during virus entry. To date, the spatial proteotype of LBs remains unknown. Using the prototypic poxvirus, vaccinia virus (VACV), we employed a quantitative comparative mass spectrometry strategy to determine the poxvirus LB proteome. We identified a large population of cellular proteins, the majority being mitochondrial, and 15 viral LB proteins. Strikingly, one-third of these comprise the full set of VACV redox proteins whose LB residency could be confirmed using super-resolution microscopy. We further show that VACV infection exerts an anti-oxidative effect on host cells and that artificial induction of oxidative stress impacts early gene expression and virion production. In addition to defining the spatial proteotype of these enigmatic viral structures, these findings implicate poxvirus redox proteins as modulators of host oxidative anti-viral responses and provide a solid starting point for future investigations into the role of LB resident proteins in host immunomodulation.

Abstract The avian pathogen, fowlpox virus (FWPV) has been successfully used as vaccine vector in poultry and humans but relatively little is known about its ability to modulate host antiviral immune responses in these hosts, which are replication permissive and non-permissive, respectively. FWPV is highly resistant to avian type I interferon (IFN) and able to completely block the host IFN-response. Microarray screening of host IFN-regulated gene expression in cells infected with 59 different, non-essential FWPV gene knock-out mutants revealed that FPV184 confers immunomodulatory capacity. We report that FPV184 -knockout virus (FWPVΔ184) induces the cellular IFN response as early as 2 hours post-infection. The wild-type, uninduced phenotype can be rescued by transient expression of FPV184 in FWPVΔ184-infected cells. Ectopic expression of FPV184 inhibited polyI:C activation of the chicken IFN-β promoter and IFN-α activation of the chicken Mx promoter. Confocal and correlative super-resolution light and electron microscopy demonstrated that FPV184 has a functional nuclear localisation signal domain and is packaged in the lateral bodies of the virions. Taken together, these results provide a paradigm for a late poxvirus structural protein packaged in the lateral bodies and capable of supressing IFN induction early during the next round of infection.

Quantitative measurements of nanoparticle concentration in liquid suspensions are in high demand, for example, in the medical and food industries. Conventional methods remain unsatisfactory, especially for polydisperse samples with overlapping size ranges. Recently, we introduced interferometric nanoparticle tracking analysis (iNTA) for high-precision measurement of nanoparticle size and refractive index. Here, we show that by counting the number of trajectories that cross the focal plane, iNTA can measure concentrations of subpopulations in a polydisperse mixture in a quantitative manner and without the need for a calibration sample. We evaluate our method on both monodisperse samples and mixtures of known concentrations. Furthermore, we assess the concentration of SARS-CoV-2 in supernatant samples obtained from infected cells.

The spatial distribution of binding and fusion proteins on most viruses and the functional relevance of this organization remains largely unexplored. Employing super-resolution microscopy we define the nanoscale membrane architecture of the prototypic poxvirus, vaccinia. We show that binding and entry fusion complex (EFC) proteins are organized into distinct functional domains with fusion proteins polarized to the tips of virions. Repression of individual EFC components disrupted fusion protein polarization, correlating with a loss of fusion activity. Repression of vaccinia A27, a non-EFC protein implicated in fusion, revealed that disruption of EFC localization impacts virus fusion pore formation. We propose that the polarized distribution of EFCs is essential for poxvirus fusion efficiency.

Single-molecule localization microscopy (SMLM) techniques allow near molecular scale resolution (~ 20nm) as well as precise and robust analysis of protein organization at different scales. SMLM hardware, analytics and probes have been the focus of a variety of studies and are now commonly used in laboratories across the world. Protocol reliability and artefact identification are increasingly seen as important aspects of super-resolution microscopy. The reliability of these approaches thus requires in-depth evaluation so that biological findings are based on solid foundations. Here we explore how different fixation approaches that disrupt or preserve the actin cytoskeleton affect membrane protein organization. Using CD4 as a model, we show that fixation-mediated disruption of the actin cytoskeleton correlates with changes in CD4 membrane organization. We highlight how these artefacts are easy to overlook and how careful sample preparation is essential for extracting meaningful results from super-resolution microscopy.

Most super-resolution microscopy methods depend on steps that contribute to the formation of image artefacts. Here we present NanoJ-SQUIRREL, an ImageJ-based analytical approach providing a quantitative assessment of super-resolution image quality. By comparing diffraction-limited images and super-resolution equivalents of the same focal volume, this approach generates a quantitative map of super-resolution defects, as well as methods for their correction. To illustrate its broad applicability to super-resolution approaches we apply our method to Localization Microscopy, STED and SIM images of a variety of in-cell structures including microtubules, poxviruses, neuronal actin rings and clathrin coated pits. We particularly focus on single-molecule localisation microscopy, where super-resolution reconstructions often feature imperfections not present in the original data. By showing the quantitative evolution of data quality over these varied sample preparation, acquisition and super-resolution methods we display the potential of NanoJ-SQUIRREL to guide optimization of super-resolution imaging parameters.

Single-particle tracking is a powerful tool for studying single molecule behaviour involving plasma membrane-associated events in cells. Here, we show that interferometric scattering microscopy (iSCAT) combined with gold nanoparticle labeling can be used to follow the motion of membrane proteins in the plasma membrane of live cultured mammalian cell lines and hippocampal neurons. The unique combination of microsecond temporal resolution and nanometer spatial precision reveals signatures of a compartmentalised plasma membrane in neurons.

Quantitative measurements of nanoparticle concentration in liquid suspensions are in high demand, for example, in the medical and food industries. Conventional methods remain unsatisfactory, especially for polydisperse samples with overlapping size ranges. Recently, we introduced interferometric nanoparticle tracking analysis (iNTA) as a new method for high-precision measurement of nanoparticle size and refractive index. Here, we show that by counting the number of trajectories that cross the focal plane, iNTA can measure concentrations of subpopulations in a polydisperse mixture in a quantitative manner and without the need for a calibration sample. We evaluate our method on both monodisperse samples and mixtures of known concentrations. Furthermore, we assess the concentration of SARS-CoV-2 in supernatant samples obtained from infected cells.