Abstract Three-dimensional (3D) tracking of surface-tethered single-particle reveals the dynamics of the molecular tether. However, most 3D tracking techniques lack precision, especially in axial direction, for measuring the dynamics of biomolecules with spatial scale of several nanometers. Here we present a plasmonic imaging technique that can track the motion of ∼100 tethered particles in 3D simultaneously with sub-nanometer axial precision at millisecond time resolution. By tracking the 3D coordinates of tethered particle with high spatial resolution, we are able to determine the dynamics of single short DNA and study its interaction with enzyme. We further show that the particle motion pattern can be used to identify specific and non-specific interactions in immunoassays. We anticipate that our 3D tracking technique can contribute to the understanding of molecular dynamics and interactions at the single-molecule level.

Timely diagnosis of acute diseases improves treatment outcomes and saves lives, but it requires fast and precision quantification of biomarkers. Here we report a time-resolved digital immunoassay based on plasmonic imaging of binding of single nanoparticles to biomarkers captured on a sensor surface. The real-time and high contrast of plasmonic imaging lead to fast and precise counting of the individual biomarkers over a wide dynamic range. We demonstrated the detection principle, evaluated the performance of the method using procalcitonin (PCT) as an example, and achieved a limit of detection of ~3 pg/mL, dynamic range of 4-12500 pg/mL, for a total detection time of ~25 mins.

Protein analysis has relied on electrophoresis, mass spectroscopy and immunoassay, which separate, detect and identify proteins based on the size, charge, mobility and binding to antibodies. However, measuring these quantities at the single molecule level has not been possible. We tether a protein to a surface with a flexible polymer, drive the protein into mechanical oscillation with an alternating electric field, and image the protein oscillation with a near field imaging method, from which we determine the size, charge, mobility of the protein. We also measure binding of antibodies to single proteins and ligand binding-induced conformational changes in single proteins. This work provides new capabilities for protein analysis and disease biomarker detection at the single molecule level.

A carotenoid called lycopene (LYC) is one of the most potent antioxidants. Superior physiological properties of LYC include cancer prevention, cholesterol reduction, antioxidant activity, scavenging of free radicals, immunity enhancement, prostate protection, and increased sperm viability. In recent times, male sperm quality has decreased. Following studies on LYC’s function in spermatogenesis, the therapy of male infertility diseases has made extensive use of it. Here, we give an accurate theoretical foundation for the use of LYC in large animal breeding and the treatment of male infertility in humans by summarising the variables influencing spermatogenesis and the enhancing effect of LYC on mammalian spermatogenesis.

Abstract Extracellular vesicles (EVs) are pivotal in various biological processes and diseases, yet their small size and heterogeneity pose challenges for single EV quantification. We introduce interferometric electrochemical microscopy (iECM), a sensitive label-free technique that combines interferometric scattering and electrochemical impedance imaging. This method enables the quantification of the impedance of single EVs, providing unique insights into their electrochemical properties, and allows for the simultaneous measurement of size and real-time monitoring of antibody binding. Notably, we discovered that the impedance spectra of EVs can serve as unique fingerprints to differentiate EVs from cancerous and healthy cells, offering potential advancements in clinical diagnostics and the profiling of extracellular biomarkers.

Abstract Plasmonic scattering microscopy has advanced the evanescent detection approaches by offering wide-field single-molecule imaging capability. However, two limitations prevent the broader application of plasmonic single-molecule imaging. One is the heating effect accompanying the plasmonic enhancement, and the other is the complicated system structure resulting from the two-objective optical arrangement. Here, we report single-objective evanescent scattering microscopy. The evanescent field is created by total internal reflection instead of the surface plasmon resonance on the gold film. As a result, the sensing substrate without gold film produces little heat, and allows excitation and observation using one objective. In addition, this system enables quantification of protein binding kinetics by simultaneously counting the binding of individual molecules and recording their binding sites with nanometer precision, providing a digital method to measure binding kinetics with high spatiotemporal resolution. This work may pave a road for label-free single protein analysis in conventional microscopy. Teaser Label-free single-molecule imaging on a total internal reflection fluorescence objective.

G protein-coupled receptors (GPCRs) comprise the largest membrane protein family in humans and can respond to a wide variety of ligands and stimuli. Like other multi-pass membrane proteins, the biochemical properties of GPCRs are notoriously difficult to study because they must be embedded in lipid bilayers to maintain their native conformation and function. To enable an unbiased, high-throughput platform to profile biochemical activities of GPCRs in native conformation, we individually displayed 315 human non-odorant GPCRs (>85% coverage) in the envelope of human herpes simplex virus-1 and immobilized on glass to form a high-content Virion Display (VirD) array. Using this array, we found that 50% of the tested commercial anti-GPCR antibodies (mAbs) is ultra-specific, and that the vast majority of those VirD-GPCRs, which failed to be recognized by the commercial mAbs, could bind to their canonical ligands, indicating that they were folded correctly. Next, we used the VirD-GPCR arrays to examine binding specificity of two known peptide ligands and recovered expected interactions, as well as new off-target interactions, three of which were confirmed with real-time kinetics measurements. Finally, we explored the possibility of discovering novel pathogen targets by probing VirD-GPCR arrays with live group B Streptococcus (GBS), a common Gram-positive bacterium causing neonatal meningitis. Using cell invasion assays and a mouse model of hematogenous meningitis, we showed that inhibition of one of the five newly identified GPCRs, CysLTR1, greatly reduced GBS penetration in brain-derived endothelial cells and in mouse brains. Therefore, our work demonstrated that the VirD-GPCR array holds great potential for high-throughput, unbiased screening for small molecule drugs, affinity reagents, and deorphanization.