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Alexander Choi
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Single-molecule displacement mapping indicates unhindered intracellular diffusion of small (<~1 kDa) solutes

Alexander Choi et al.Jan 26, 2023
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Abstract While fundamentally important, the intracellular diffusion of small (<~1 kDa) solutes has been difficult to elucidate due to challenges in both labeling and measurement. Here we quantify and spatially map the translational diffusion patterns of small solutes in mammalian cells by integrating several recent advances. In particular, by executing tandem stroboscopic illumination pulses down to 400-μs separation, we extend single-molecule displacement/diffusivity mapping (SM d M), a super-resolution diffusion quantification tool, to small solutes with high diffusion coefficients D of >300 μm 2 /s. We thus show that for multiple water-soluble dyes and dye-tagged nucleotides, intracellular diffusion is dominated by vast regions of high diffusivity ~60-70% of that in vitro , up to ~250 μm 2 /s in the fastest cases. Meanwhile, we also visualize sub-micrometer foci of substantial slowdowns in diffusion, thus underscoring the importance of spatially resolving the local diffusion behavior. Together, these results suggest that the intracellular diffusion of small solutes is only modestly scaled down by the slightly higher viscosity of the cytosol over water, but otherwise not further hindered by macromolecular crowding. We thus lift a paradoxically low speed limit for intracellular diffusion suggested by previous experiments. Abstract Graphic
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Displacement statistics of unhindered single molecules show no enhanced diffusion in enzymatic reactions

Alexander Choi et al.Jul 21, 2021
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ABSTRACT Recent studies have sparked heated debate over whether catalytical reactions would enhance the diffusion coefficients D of enzymes. Through high statistics of the transient (600 μs) displacements of unhindered single molecules freely diffusing in common buffers, we here quantify D for four highly contested enzymes under catalytic turnovers. We thus formulate how precisions of better than ±1% may be achieved for D at the 95% confidence level, and show no changes in diffusivity for catalase, urease, aldolase, and alkaline phosphatase under the application of wide concentration ranges of substrates. Our single-molecule approach thus overcomes potential limitations and artifacts underscored by recent studies to show no enhanced diffusion in enzymatic reactions. Table of Contents artwork