Förster Resonance Energy Transfer has served as a molecular ruler that reports conformational changes and intramolecular distances of single biomolecules1,2,3,4. However, such rulers suffer from low and fluctuating signal intensities, limited observation time due to photobleaching, and an upper distance limit of ∼10 nm. Noble metal nanoparticles have plasmon resonances in the visible range and do not blink or bleach. They have been employed as alternative probes to overcome the limitations of organic fluorophores5,6, and the coupling of plasmons in nearby particles has been exploited to detect particle aggregation by a distinct color change in bulk experiments7,8,9. Here we demonstrate that plasmon coupling can be used to monitor distances between single pairs of gold and silver nanoparticles. We followed the directed assembly of gold and silver nanoparticle dimers in real time and studied the kinetics of single DNA hybridization events. These 'plasmon rulers' allowed us to continuously monitor separations of up to 70 nm for >3,000 s.

Recent advances in statistical mechanical theory can be used to solve a fundamental problem in experimental thermodynamics. In 1997, Jarzynski proved an equality relating the irreversible work to the equilibrium free energy difference, Δ G . This remarkable theoretical result states that it is possible to obtain equilibrium thermodynamic parameters from processes carried out arbitrarily far from equilibrium. We test Jarzynski's equality by mechanically stretching a single molecule of RNA reversibly and irreversibly between two conformations. Application of this equality to the irreversible work trajectories recovers the Δ G profile of the stretching process to within k B T /2 (half the thermal energy) of its best independent estimate, the mean work of reversible stretching. The implementation and test of Jarzynski's equality provides the first example of its use as a bridge between the statistical mechanics of equilibrium and nonequilibrium systems. This work also extends the thermodynamic analysis of single molecule manipulation data beyond the context of equilibrium experiments.

Here we use mechanical force to induce the unfolding and refolding of single RNA molecules: a simple RNA hairpin, a molecule containing a three-helix junction, and the P5abc domain of the Tetrahymena thermophila ribozyme. All three molecules (P5abc only in the absence of Mg2+) can be mechanically unfolded at equilibrium, and when kept at constant force within a critical force range, are bi-stable and hop between folded and unfolded states. We determine the force-dependent equilibrium constants for folding/unfolding these single RNA molecules and the positions of their transition states along the reaction coordinate.

Journal Article Human breast cancer invasion and aggression correlates with ECM stiffening and immune cell infiltration Get access I. Acerbi, I. Acerbi Center for Bioengineering, Tissue Regeneration, Department of Surgery, UCSF, San Francisco, CA, USA. Fax: +1-415-476-3985; Tel: +1-415-476-3826 Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar L. Cassereau, L. Cassereau Center for Bioengineering, Tissue Regeneration, Department of Surgery, UCSF, San Francisco, CA, USA. Fax: +1-415-476-3985; Tel: +1-415-476-3826 Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar I. Dean, I. Dean Center for Bioengineering, Tissue Regeneration, Department of Surgery, UCSF, San Francisco, CA, USA. Fax: +1-415-476-3985; Tel: +1-415-476-3826 Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Q. Shi, Q. Shi Bay Area Physical Sciences Oncology Center, USADepartment of Bioengineering, Stanford University, Palo Alto, CA, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar A. Au, A. Au Department of Pathology, UCSF, San Francisco, CA, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar C. Park, C. Park Department of Radiation Oncology, UCSF, San Francisco, CA, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Y. Y. Chen, Y. Y. Chen Department of Pathology, UCSF, San Francisco, CA, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar J. Liphardt, J. Liphardt Bay Area Physical Sciences Oncology Center, USADepartment of Bioengineering, Stanford University, Palo Alto, CA, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar E. S. Hwang, E. S. Hwang Department of Surgery, Duke University Comprehensive Cancer Center, Durham, North Carolina, USA Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar V. M. Weaver V. M. Weaver Center for Bioengineering, Tissue Regeneration, Department of Surgery, UCSF, San Francisco, CA, USA. Fax: +1-415-476-3985; Tel: +1-415-476-3826Bay Area Physical Sciences Oncology Center, USADepartments of Anatomy and Bioengineering and Therapeutic Sciences, Eli and Edythe Broad Center of Regeneration Medicine and Stem Cell Research, and UCSF Helen Diller Comprehensive Cancer Center, UCSF, San Francisco, California, USA E-mail: Valerie.Weaver@ucsf.edu Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Integrative Biology, Volume 7, Issue 10, October 2015, Pages 1120–1134, https://doi.org/10.1039/c5ib00040h Published: 11 May 2015 Article history Received: 07 February 2015 Accepted: 01 May 2015 Published: 11 May 2015

During the past decade, physical techniques such as optical tweezers and atomic force microscopy were used to study the mechanical properties of DNA at the single-molecule level. Knowledge of DNA’s stretching and twisting properties now permits these single-molecule techniques to be used in the study of biological processes such as DNA replication and transcription.

One crucial challenge for subwavelength optics has been the development of a tunable source of coherent laser radiation for use in the physical, information and biological sciences that is stable at room temperature and physiological conditions. Current advanced near-field imaging techniques using fibre-optic scattering probes have already achieved spatial resolution down to the 20-nm range. Recently reported far-field approaches for optical microscopy, including stimulated emission depletion, structured illumination, and photoactivated localization microscopy, have enabled impressive, theoretically unlimited spatial resolution of fluorescent biomolecular complexes. Previous work with laser tweezers has suggested that optical traps could be used to create novel spatial probes and sensors. Inorganic nanowires have diameters substantially below the wavelength of visible light and have electronic and optical properties that make them ideal for subwavelength laser and imaging technology. Here we report the development of an electrode-free, continuously tunable coherent visible light source compatible with physiological environments, from individual potassium niobate (KNbO3) nanowires. These wires exhibit efficient second harmonic generation, and act as frequency converters, allowing the local synthesis of a wide range of colours via sum and difference frequency generation. We use this tunable nanometric light source to implement a novel form of subwavelength microscopy, in which an infrared laser is used to optically trap and scan a nanowire over a sample, suggesting a wide range of potential applications in physics, chemistry, materials science and biology.

Pairs of noble metal nanoparticles can be used to measure distances via the distance dependence of their plasmon coupling. These "plasmon rulers" offer exceptional photostability and brightness; however, the advantages and limitations of this approach remain to be explored. Here we report detailed plasmon peak versus separation calibration curves for 42- and 87-nm-diameter particle pairs, determine their measurement errors, and describe experimental procedures to improve their performance in biology, nanotechnology, and materials sciences.

Semiconductor nanowires have received much attention owing to their potential use as building blocks of miniaturized electrical, nanofluidic and optical devices. Although chemical nanowire synthesis procedures have matured and now yield nanowires with specific compositions and growth directions, the use of these materials in scientific, biomedical and microelectronic applications is greatly restricted owing to a lack of methods to assemble nanowires into complex heterostructures with high spatial and angular precision. Here we show that an infrared single-beam optical trap can be used to individually trap, transfer and assemble high-aspect-ratio semiconductor nanowires into arbitrary structures in a fluid environment. Nanowires with diameters as small as 20 nm and aspect ratios of more than 100 can be trapped and transported in three dimensions, enabling the construction of nanowire architectures that may function as active photonic devices. Moreover, nanowire structures can now be assembled in physiological environments, offering new forms of chemical, mechanical and optical stimulation of living cells.

Biofilms Up Close Many bacterial infections involve biofilm formation. Cells within a biofilm are significantly more resistant to immune clearance and antibiotics compared to unattached, planktonic cells. Berk et al. (p. 236 ) applied superresolution optical methods to image living bacteria with nanometer-scale precision as they form a biofilm. Vibrio cholerae biofilms were observed to have three distinct levels of spatial organization: cells, clusters of cells, and collections of clusters. Each cell cluster was wrapped in a flexible, elastic envelope. Several V. cholerae matrix proteins played complementary architectural roles during biofilm development. RbmA provided cell-cell adhesion, Bap1 allowed the developing biofilm to adhere to surfaces, and heterogeneous mixtures of VPS, RbmC, and Bap1 formed the dynamic, flexible, and ordered envelopes that encase the cell clusters.

The Escherichia coli chemotaxis network is a model system for biological signal processing. In E. coli, transmembrane receptors responsible for signal transduction assemble into large clusters containing several thousand proteins. These sensory clusters have been observed at cell poles and future division sites. Despite extensive study, it remains unclear how chemotaxis clusters form, what controls cluster size and density, and how the cellular location of clusters is robustly maintained in growing and dividing cells. Here, we use photoactivated localization microscopy (PALM) to map the cellular locations of three proteins central to bacterial chemotaxis (the Tar receptor, CheY, and CheW) with a precision of 15 nm. We find that cluster sizes are approximately exponentially distributed, with no characteristic cluster size. One-third of Tar receptors are part of smaller lateral clusters and not of the large polar clusters. Analysis of the relative cellular locations of 1.1 million individual proteins (from 326 cells) suggests that clusters form via stochastic self-assembly. The super-resolution PALM maps of E. coli receptors support the notion that stochastic self-assembly can create and maintain approximately periodic structures in biological membranes, without direct cytoskeletal involvement or active transport.