Abstract Genetically-encoded biosensors based on a single fluorescent protein are widely used to visualize analyte levels or enzymatic activities in cells, though usually to monitor relative changes rather than absolute values. We report photochromism-enabled absolute quantification (PEAQ) biosensing, a method that leverages the photochromic properties of biosensors to provide an absolute measure of the analyte concentration or activity. We develop proof-of-concept photochromic variants of the popular GCaMP family of Ca 2+ biosensors, and show that these can be used to resolve dynamic changes in the absolute Ca 2+ concentration in live cells. We also show how our method can be expanded to fast imaging with reduced illumination intensities or to situations where the absolute illumination intensities are unknown. In principle, PEAQ biosensing can be applied to other biosensors with photochromic properties, thereby expanding the possibilities for fully quantitative measurements in complex and dynamic systems.

Abstract Fluorescent time-lapse experiments often suffer from focus drift, regularly rendering long measurements partially unusable. Frequently, this instability can be traced back to the specific mechanical components of the setup, but even in highly robust implementations z-drift occurs due to small temperature fluctuations which are hard to avoid. To resolve this issue, microscope manufacturers often offer their own interpretation of out-of-focus correction modules for their flagship instruments. However, self-assembled or older systems typically have to fend for their own or adapt their measurements to circumvent drift effects. In this manuscript, we propose a cost-efficient z-drift detection- and correction system that, due to its modular design, can be attached to any fluorescence microscope with an actuated stage or objective, be it in a custom or commercial setup. The reason for this wide applicability is specific to the design, which has a straightforward alignment procedure and allows sharing optics with the fluorescent emission path. Our system employs an infrared (IR) laser that is passed through a double-hole mask to achieve two parallel beams which are made to reflect on the coverslip and subsequently detected on an industrial sCMOS camera. The relative position of these beams is then uniquely linked to the z-position of a microscope-mounted sample. The system was benchmarked by introducing temperature perturbations, where it was shown to achieve a stable focus, and by scanning different positions while simulating a perturbation in the z-position of the stage, where we show that a lost focus can be recovered within seconds.

Abstract We present a novel way to enhance the information content of fluorescence imaging by encoding information in the microscope point-spread function (PSF). In contrast to methods that modify the shape of the PSF itself, our approach encodes the additional information via the creation of faithful copies of the original PSF. Our method is compatible with operation over a broad wavelength range, other PSF engineering modalities, and existing analysis tools. We demonstrate this approach by developing the ‘Circulator’, an optical add-on made of off-the-shelf components that encodes the emission band of the fluorophore into the PSF. The device creates four copies of the original PSF at well-defined relative orientations and positions, where the presence or intensity of each spot indicates the emission color of the fluorophore. Using this device, simultaneous multicolor super-resolution and single-molecule microscopy can be performed using the full field of view of a single camera, resulting in a pronounced increase in experimental throughput. We demonstrate our approach in simultaneous three-color super-resolution imaging with single-molecule localization microscopy (SMLM) and super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI).

Super-resolution fluorescence imaging techniques allow optical imaging of specimens beyond the diffraction limit of light. Super-resolution optical fluctuation imaging (SOFI) relies on computational analysis of stochastic blinking events to obtain a super-resolved image. As with some other super-resolution methods, this strong dependency on computational analysis can make it difficult to gauge how well the resulting images reflect the underlying sample structure. We herein report SOFIevaluator, an unbiased and parameter-free algorithm for calculating a set of metrics that describes the quality of super-resolution fluorescence imaging data for SOFI. We additionally demonstrate how SOFIevaluator can be used to identify fluorescent proteins that perform well for SOFI imaging under different imaging conditions.

Abstract We present the TriScan, a compact and inexpensive fluorescence microscope that combines the speed of widefield microscopy with the 3D-sectioning capabilities of confocal microscopy. The optical layout is based on an add-on module that combines line-scan confocal imaging with a sensitive camera detector, realized using a simple optical layout that permits the use of arbitrarily fast scanning mirrors. The resulting design is theoretically capable of full field-of-view acquisition rates in the kilohertz regime combined with a diffraction-limited resolution and single-molecule sensitivity. Overall, the TriScan microscope provides the ease-of-use and speed of widefield imaging combined with the optical sectioning of one-photon confocal imaging, in a simple and inexpensive design suitable for a broad variety of settings ranging from research to diagnostic applications and screening. This bioRxiv manuscript describes an ongoing research project and associated preliminary data acquired using an early prototype of the instrument. We welcome and appreciate your enquiries, suggestions, and feedback. Updated versions of this manuscript will be deposited as the project progresses. The author list reflects the core team and points of contact working on this project, but does not reflect all of the contributions made to this research thus far. We are particularly grateful to Damla Temel (formerly KU Leuven) for assistance in the construction of the initial prototype, Lydia Danglot (IPNP Paris) and Hugo Vankelecom (KU Leuven) for providing samples, and Marcel Leutenegger (Max Planck Institute for Biophysical Research) for initial discussions regarding the practical implementation. We also thank the Research Foundation-Flanders (FWO) and the European Research Council for financial support.

Abstract Photochromic fluorescent proteins have become versatile tools in the life sciences, though our understanding of their structure-function relation is limited. Starting from a single scaffold, we have developed a range of 27 photochromic fluorescent proteins that cover a broad range of spectroscopic properties, yet differ only in one or two mutations. We also determined 43 different crystal structures of these mutants. Correlation and principal component analysis of the spectroscopic and structural properties confirmed the complex relationship between structure and spectroscopy, suggesting that the observed variability does not arise from a limited number of mechanisms, but also allowed us to identify consistent trends and to relate these to the spatial organization around the chromophore. We find that particular changes in spectroscopic properties can come about through multiple different underlying mechanisms, of which the polarity of the chromophore environment and hydrogen bonding of the chromophore are key modulators. Furthermore, some spectroscopic parameters, such as the photochromism, appear to be largely determined by a single or a few structural properties, while other parameters, such as the absorption maximum, do not allow a clear identification of a single cause. We also highlight the role of water molecules close to the chromophore in influencing photochromism. We anticipate that our dataset can open opportunities for the development and evaluation of new and existing protein engineering methods.

Abstract We present the Resonator, a simple optical device that provides quasi-simultaneous fluorescence imaging with multiple excitation wavelengths. The device uses a resonant scanning mirror to periodically displace the sample image on a camera sensor at a rate that is much faster than the image acquisition rate. The excitation light is synchronized with the scanner motion to create two laterally shifted copies of the image, each containing the fluorescence excited by a single wavelength. The additional information is then encoded either into the point-spread function of the imaging or as multiple distinct images. Since this multiplexing is performed at very high rates, our design can eliminate or mitigate artifacts caused by temporal aliasing in conventional sequential imaging. We demonstrate the use of our system for the monitoring of fast light-induced dynamics in single quantum dots and for the imaging of Ca 2+ signalling in hippocampal neurons.

Abstract Multilabel fluorescence imaging is essential for the visualization of complex systems, though a major challenge is the limited width of the usable spectral window. Here, we present a new method, exNEEMO, that enables per-pixel quantification of spectrally-overlapping fluorophores based on their light-induced dynamics, in a way that is compatible with a very broad range of timescales over which these dynamics may occur. Our approach makes use of intra-exposure modulation of the excitation light to distinguish the different emitters given their reference responses to this modulation. We use approach to simultaneously image four green photochromic fluorescent proteins at the full spatial resolution of the imaging. Graphical abstract

Abstract We present a modular implementation of structured illumination microscopy (SIM) that is fast, largely self-contained and that can be added onto existing fluorescence microscopes. Our instrument, which we call HIT-SIM, can theoretically deliver well over 50 super-resolved images per second and is readily compatible with existing acquisition software packages. We provide a full technical package consisting of schematics, a list of components and an alignment scheme that provides detailed specifications and assembly instructions. We illustrate the performance of the instrument by imaging optically large samples containing sequence-specifically stained DNA fragments.