Due to their interesting properties, research on colloidal nanocrystals has moved in the last few years from fundamental research to first applications in materials science and life sciences. In this review some recent biological applications of colloidal nanocrystals are discussed, without going into biological or chemical details. First, the properties of colloidal nanocrystals and how they can be synthesized are described. Second, the conjugation of nanocrystals with biological molecules is discussed. And third, three different biological applications are introduced: (i) the arrangement of nanocrystal–oligonucleotide conjugates using molecular scaffolds such as single-stranded DNA, (ii) the use of nanocrystal–protein conjugates as fluorescent probes for cellular imaging, and (iii) a motility assay based on the uptake of nanocrystals by living cells.

Abstract Effective Protein Quality Control (PQC), essential for cellular health, relies on spatial sequestration of misfolded proteins into defined inclusions. Here we elucidate the coordination of nuclear and cytoplasmic spatial PQC. While cytoplasmic misfolded proteins concentrate in a cytoplasmic, perinuclear Juxta Nuclear Quality control compartment (JUNQ), nuclear misfolded proteins sequester into a perinucleolar IntraNuclear Quality control compartment (INQ). Particle tracking reveals the INQ and JUNQ converge to face each other across the nuclear envelope at a site proximal to the Nuclear-Vacuolar Junction (NVJ) marked by perinuclear ESCRT-II/-III protein Chm7. Strikingly, this ESCRT-dependent convergence facilitates VPS4-dependent vacuolar clearance of misfolded cytoplasmic and nuclear proteins, the latter entailing extrusion of nuclear INQ into the vacuole. We propose perinuclear ESCRT coordinates spatial PQC at nuclear-vacuolar contacts to facilitate vacuolar clearance of nuclear and cytoplasmic misfolded proteins.

Soft x-ray tomography offers rapid whole single cell imaging with a few tens of nanometers spatial resolution without fixation or labelling. At the moment, this technique is limited to 10 µm thick specimens, such that applications of soft x-ray tomography to large human cells or multicellular specimens are not possible. We have developed a theoretical and experimental framework for soft x-ray tomography to enable extension of imaging volume to 18 µm thick specimens. This approach, based on long depth of field and half-acquisition tomography, is easily applicable to existing full-rotation based microscopes. This opens applications for imaging of large human cells, which are often observed in cancer research and cell to cell interactions.

For a chemical signal to propagate across a cell, it must navigate a tortuous environment involving a variety of organelle barriers. In this work we study mathematical models for a basic chemical signal, the arrival times at the nuclear membrane of proteins that are activated at the cell membrane and diffuse throughout the cytosol. Organelle surfaces within human B cells are reconstructed from soft X-ray tomographic images, and modeled as reflecting barriers to the molecules' diffusion. We show that signal inactivation sharpens signals, reducing variability in the arrival time at the nuclear membrane. Inactivation can also compensate for an observed slowdown in signal propagation induced by the presence of organelle barriers, leading to arrival times at the nuclear membrane that are comparable to models in which the cytosol is treated as an open, empty region. In the limit of strong signal inactivation this is achieved by filtering out molecules that traverse non-geodesic paths.

In this manuscript, we introduce a linear approximation of the forward model of soft x-ray tomography (SXT), such that the reconstruction is solvable by standard iterative schemes. This linear model takes into account the three-dimensional point spread function (PSF) of the optical system, which consequently enhances the reconstruction data.The feasibility of the model is demonstrated on both simulated and experimental data, based on theoretically estimated and experimentally measured PSFs.