From single molecules to embryos in living color Animation defines life, and the three-dimensional (3D) imaging of dynamic biological processes occurring within living specimens is essential to understand life. However, in vivo imaging, especially in 3D, involves inevitable tradeoffs of resolution, speed, and phototoxicity. Chen et al. describe a microscope that can address these concerns. They used a class of nondiffracting beams, known as 2D optical lattices, which spread the excitation energy across the entire field of view while simultaneously eliminating out-of-focus excitation. Lattice light sheets increase the speed of image acquisition and reduce phototoxicity, which expands the range of biological problems that can be investigated. The authors illustrate the power of their approach using 20 distinct biological systems ranging from single-molecule binding kinetics to cell migration and division, immunology, and embryonic development. Science , this issue 10.1126/science.1257998

Structured illumination microscopy is a method that can increase the spatial resolution of wide-field fluorescence microscopy beyond its classical limit by using spatially structured illumination light. Here we describe how this method can be applied in three dimensions to double the axial as well as the lateral resolution, with true optical sectioning. A grating is used to generate three mutually coherent light beams, which interfere in the specimen to form an illumination pattern that varies both laterally and axially. The spatially structured excitation intensity causes normally unreachable high-resolution information to become encoded into the observed images through spatial frequency mixing. This new information is computationally extracted and used to generate a three-dimensional reconstruction with twice as high resolution, in all three dimensions, as is possible in a conventional wide-field microscope. The method has been demonstrated on both test objects and biological specimens, and has produced the first light microscopy images of the synaptonemal complex in which the lateral elements are clearly resolved.

Fluorescence light microscopy allows multicolor visualization of cellular components with high specificity, but its utility has until recently been constrained by the intrinsic limit of spatial resolution. We applied three-dimensional structured illumination microscopy (3D-SIM) to circumvent this limit and to study the mammalian nucleus. By simultaneously imaging chromatin, nuclear lamina, and the nuclear pore complex (NPC), we observed several features that escape detection by conventional microscopy. We could resolve single NPCs that colocalized with channels in the lamin network and peripheral heterochromatin. We could differentially localize distinct NPC components and detect double-layered invaginations of the nuclear envelope in prophase as previously seen only by electron microscopy. Multicolor 3D-SIM opens new and facile possibilities to analyze subcellular structures beyond the diffraction limit of the emitted light.

Adding to the super-resolution arsenal Structured illumination microscopy (SIM) uses light intensities that are orders of magnitude lower than other super-resolution methods. SIM is also far faster over cellular-sized fields of view. Li et al. used two approaches to improve the resolution of SIM to allow live cell imaging of dynamic cellular processes, including endocytosis and cytoskeleton remodeling. The contrast in performance between SIM and other techniques is due to a few key differences. Defining the practical resolution at the limited signal-to-noise ratios necessary for live cell imaging will require better imaging metrics. Science , this issue 10.1126/science.aab3500

Using ultralow light intensities that are well suited for investigating biological samples, we demonstrate whole-cell superresolution imaging by nonlinear structured-illumination microscopy. Structured-illumination microscopy can increase the spatial resolution of a wide-field light microscope by a factor of two, with greater resolution extension possible if the emission rate of the sample responds nonlinearly to the illumination intensity. Saturating the fluorophore excited state is one such nonlinear response, and a realization of this idea, saturated structured-illumination microscopy, has achieved approximately 50-nm resolution on dye-filled polystyrene beads. Unfortunately, because saturation requires extremely high light intensities that are likely to accelerate photobleaching and damage even fixed tissue, this implementation is of limited use for studying biological samples. Here, reversible photoswitching of a fluorescent protein provides the required nonlinearity at light intensities six orders of magnitude lower than those needed for saturation. We experimentally demonstrate approximately 40-nm resolution on purified microtubules labeled with the fluorescent photoswitchable protein Dronpa, and we visualize cellular structures by imaging the mammalian nuclear pore and actin cytoskeleton. As a result, nonlinear structured-illumination microscopy is now a biologically compatible superresolution imaging method.

Previous implementations of structured-illumination microscopy (SIM) were slow or designed for one-color excitation, sacrificing two unique and extremely beneficial aspects of light microscopy: live-cell imaging in multiple colors. This is especially unfortunate because, among the resolution-extending techniques, SIM is an attractive choice for live-cell imaging; it requires no special fluorophores or high light intensities to achieve twice diffraction-limited resolution in three dimensions. Furthermore, its wide-field nature makes it light-efficient and decouples the acquisition speed from the size of the lateral field of view, meaning that high frame rates over large volumes are possible. Here, we report a previously undescribed SIM setup that is fast enough to record 3D two-color datasets of living whole cells. Using rapidly programmable liquid crystal devices and a flexible 2D grid pattern algorithm to switch between excitation wavelengths quickly, we show volume rates as high as 4 s in one color and 8.5 s in two colors over tens of time points. To demonstrate the capabilities of our microscope, we image a variety of biological structures, including mitochondria, clathrin-coated vesicles, and the actin cytoskeleton, in either HeLa cells or cultured neurons.

3D live imaging is important for a better understanding of biological processes, but it is challenging with current techniques such as spinning-disk confocal microscopy. Bessel beam plane illumination microscopy allows high-speed 3D live fluorescence imaging of living cellular and multicellular specimens with nearly isotropic spatial resolution, low photobleaching and low photodamage. Unlike conventional fluorescence imaging techniques that usually have a unique operation mode, Bessel plane illumination has several modes that offer different performance with different imaging metrics. To achieve optimal results from this technique, the appropriate operation mode needs to be selected and the experimental setting must be optimized for the specific application and associated sample properties. Here we explain the fundamental working principles of this technique, discuss the pros and cons of each operational mode and show through examples how to optimize experimental parameters. We also describe the procedures needed to construct, align and operate a Bessel beam plane illumination microscope by using our previously reported system as an example, and we list the necessary equipment to build such a microscope. Assuming all components are readily available, it would take a person skilled in optical instrumentation ∼1 month to assemble and operate a microscope according to this protocol.

Optical imaging of the dynamics of living specimens involves tradeoffs between spatial resolution, temporal resolution, and phototoxicity, made more difficult in three dimensions. Here, however, we report that rapid three-dimensional (3D) dynamics can be studied beyond the diffraction limit in thick or densely fluorescent living specimens over many time points by combining ultrathin planar illumination produced by scanned Bessel beams with super-resolution structured illumination microscopy. We demonstrate in vivo karyotyping of chromosomes during mitosis and identify different dynamics for the actin cytoskeleton at the dorsal and ventral surfaces of fibroblasts. Compared to spinning disk confocal microscopy, we demonstrate substantially reduced photodamage when imaging rapid morphological changes in D. discoideum cells, as well as improved contrast and resolution at depth within developing C. elegans embryos. Bessel beam structured plane illumination thus promises new insights into complex biological phenomena that require 4D subcellular spatiotemporal detail in either a single or multicellular context.

Lattice light-sheet and PAINT microscopy are combined to achieve low-background detection of dense molecular labels, yielding super-resolution localization microscopy images of intricate 3D structures within dividing cells and embryos. Extending three-dimensional (3D) single-molecule localization microscopy away from the coverslip and into thicker specimens will greatly broaden its biological utility. However, because of the limitations of both conventional imaging modalities and conventional labeling techniques, it is a challenge to localize molecules in three dimensions with high precision in such samples while simultaneously achieving the labeling densities required for high resolution of densely crowded structures. Here we combined lattice light-sheet microscopy with newly developed, freely diffusing, cell-permeable chemical probes with targeted affinity for DNA, intracellular membranes or the plasma membrane. We used this combination to perform high–localization precision, ultrahigh–labeling density, multicolor localization microscopy in samples up to 20 μm thick, including dividing cells and the neuromast organ of a zebrafish embryo. We also demonstrate super-resolution correlative imaging with protein-specific photoactivable fluorophores, providing a mutually compatible, single-platform alternative to correlative light-electron microscopy over large volumes.