Abstract Live-cell imaging of cholesterol trafficking depends on suitable cholesterol analogs. However, existing fluorescent analogs of cholesterol either show very different physico-chemical properties compared to cholesterol or demand excitation in the ultraviolet spectral region. We present novel intrinsically fluorescent sterols containing four conjugated double bonds in the ring system and either a hydroxy or a keto group in the C3 position. Synthesis of these probes involves dehydrogenation of 7-dehydrocholesterol using mercury(II) acetate, Swern oxidation/dehydrogenation, and stereoselective Luche reduction. Molecular dynamics simulations and nuclear magnetic resonance spectroscopy reveal that the analog with a 3’-hydroxy-group like cholesterol can condense fatty acyl chains and form hydrogen bonds to water molecules at the bilayer interface. The emission of both probes is red-shifted by 80-120 nm compared to the widely used sterol analogs dehydroergosterol or cholestatrienol. This allows for their imaging on conventional microscopes, as we here show in giant unilamellar vesicles. These experiments reveal a preferred partitioning of both sterol probes into the biologically relevant liquid-ordered phase. In conclusion, we present a synthesis strategy leading to novel intrinsically fluorescent sterol probes with close resemblance of cholesterol. Their improved photophysical properties will allow for live-cell imaging of sterol transport in the future.

We test the performance of the polarizable embedding variational quantum eigensolver self-consistent field (PE-VQE-SCF) model for computing electric field gradients with comparisons to conventional complete active space self-consistent-field (CASSCF) calculations and experimental results. We compute quadrupole coupling constants for ice VIII and ice IX. We find close agreement of the quantum-computing PE-VQE-SCF results with the results from the classical PE-CASSCF calculations and with experiment. Furthermore, we observe that the inclusion of the environment is crucial for obtaining results that match the experimental data. The calculations for ice VIII are within the experimental uncertainty for both CASSCF and VQE-SCF for oxygen and lie close to the experimental value for ice IX as well. With the VQE-SCF, which is based on an adaptive derivative-assembled problem-tailored (ADAPT) ansatz, we find that the inclusion of the environment and the size of the different basis sets do not directly affect the gate counts. However, by including an explicit environment, the wavefunction and therefore the optimization problem become more complicated, which usually results in the need to include more operators from the operator pool, thereby increasing the depth of the circuit.

Subcellular membranes have complex lipid and protein compositions, which give rise to organelle-specific membrane packing, fluidity, and permeability. Due to its exquisite solvent sensitivity, the lipophilic fluorescence dye Nile Red has been used extensively to study membrane packing and polarity. Further improvement of Nile Red can be achieved by introducing electron-donating or withdrawing functional groups. Here, we compare the potential of derivatives of Nile Red with such functional substitutions for super-resolution fluorescence microscopy of lipid packing in model membranes and living cells. All studied Nile Red derivatives exhibit cholesterol-dependent fluorescence changes in model membranes, as shown by spectrally resolved stimulated emission depletion (STED) microscopy. STED imaging of Nile Red probes in cells reveals lower membrane packing in fibroblasts from healthy subjects compared to those from patients suffering from Niemann Pick type C1 (NPC1) disease, a lysosomal storage disorder with accumulation of cholesterol and sphingolipids in late endosomes and lysosomes. We also find small but consistent changes in the fluorescence lifetime of the Nile Red derivatives in NPC1 cells, suggesting altered hydrogen-bonding capacity in their membranes. All Nile Red derivatives are essentially non-fluorescent in water but increase their brightness in membranes, allowing for their use in MIN-FLUX single molecule tracking experiments. Our study uncovers the potential of Nile Red probes with functional substitutions for nanoscopic membrane imaging.

It is still a puzzle that has not been entirely solved how migratory birds utilize the Earth's magnetic field for biannual migration. The most consistent explanation thus far is rooted in the modulation of the biological function of the cryptochrome 4 (Cry4) protein by an external magnetic field. This phenomenon is closely linked with the flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor that is noncovalently bound in the protein. Cry4 is activated by blue light, which is absorbed by the FAD cofactor. Subsequent electron and proton transfers trigger radical pair formation in the protein, which is sensitive to the external magnetic field. An important long-lasting redox state of the FAD cofactor is the signaling (FADH•) state, which is present after the transient electron transfer steps have been completed. Recent experimental efforts succeeded in crystallizing the Cry4 protein from Columbia livia (ClCry4) with all of the important residues needed for protein photoreduction. This specific crystallization of Cry4 protein so far is the only avian cryptochrome crystal structure available, which, however, has great similarity to the Cry4 proteins of night migratory birds. The previous experimental studies of the ClCry4 protein included the absorption properties of the protein in its different redox states. The absorption spectrum of the FADH• state demonstrated a peculiar red shift compared to the photoabsorption properties of the FAD cofactor in its FADH• state in other Cry proteins from other species. The aim of this study is to understand this red shift by employing the tools of computational microscopy and, in particular, a QM/MM approach that relies on the polarizable embedding approximation.

Calculating molecular properties using quantum devices can be performed through the quantum linear response (qLR) or, equivalently, the quantum equation of motion (qEOM) formulations. Different parameterizations of qLR and qEOM are available, namely naïve, projected, self-consistent, and state-transfer. In the naïve and projected parameterizations, the metric is not the identity, and we show that it depends on redundant orbital rotations. This dependency may lead to divergences in the excitation energies for certain choices of the redundant orbital rotation parameters in an idealized noiseless setting. Furthermore, this leads to a significant variance when calculations include statistical noise from finite quantum sampling.

Abstract Subcellular membranes have complex lipid and protein compositions, which give rise to organelle-specific membrane packing, fluidity, and permeability. Due to its exquisite solvent sensitivity, the lipophilic fluorescence dye Nile Red has been used extensively to study membrane packing and polarity. Further improvement of Nile Red can be achieved by introducing electron-donating or withdrawing functional groups. Here, we compare the potential of derivatives of Nile Red with such functional substitutions for super-resolution fluorescence microscopy of lipid packing in model membranes and living cells. All studied Nile Red derivatives exhibit cholesterol-dependent fluorescence changes in model membranes, as shown by spectrally resolved stimulated emission depletion (STED) microscopy. STED imaging of Nile Red probes in cells reveals lower membrane packing in fibroblasts from healthy subjects compared to those from patients suffering from Niemann Pick type C1 (NPC1) disease, a lysosomal storage disorder with accumulation of cholesterol and sphingolipids in late endosomes and lysosomes. We also find small but consistent changes in the fluorescence lifetime of the Nile Red derivatives in NPC1 cells, suggesting altered hydrogen-bonding capacity in their membranes. All Nile Red derivatives are essentially non-fluorescent in water but increase their brightness in membranes, allowing for their use in MINFLUX single molecule tracking experiments. Our study uncovers the potential of Nile Red probes with functional substitutions for nanoscopic membrane imaging.

Allopregnanolone (AlloP) is an example of neuroactive steroids (NAS), which is a potent allosteric activator of the γ-aminobutyric acid A (GABA