We introduce a method for optically imaging intracellular proteins at nanometer spatial resolution. Numerous sparse subsets of photoactivatable fluorescent protein molecules were activated, localized (to ∼2 to 25 nanometers), and then bleached. The aggregate position information from all subsets was then assembled into a superresolution image. We used this method—termed photoactivated localization microscopy—to image specific target proteins in thin sections of lysosomes and mitochondria; in fixed whole cells, we imaged vinculin at focal adhesions, actin within a lamellipodium, and the distribution of the retroviral protein Gag at the plasma membrane.

From single molecules to embryos in living color Animation defines life, and the three-dimensional (3D) imaging of dynamic biological processes occurring within living specimens is essential to understand life. However, in vivo imaging, especially in 3D, involves inevitable tradeoffs of resolution, speed, and phototoxicity. Chen et al. describe a microscope that can address these concerns. They used a class of nondiffracting beams, known as 2D optical lattices, which spread the excitation energy across the entire field of view while simultaneously eliminating out-of-focus excitation. Lattice light sheets increase the speed of image acquisition and reduce phototoxicity, which expands the range of biological problems that can be investigated. The authors illustrate the power of their approach using 20 distinct biological systems ranging from single-molecule binding kinetics to cell migration and division, immunology, and embryonic development. Science , this issue 10.1126/science.1257998

Cell adhesions to the extracellular matrix (ECM) are necessary for morphogenesis, immunity and wound healing. Focal adhesions are multifunctional organelles that mediate cell-ECM adhesion, force transmission, cytoskeletal regulation and signalling. Focal adhesions consist of a complex network of trans-plasma-membrane integrins and cytoplasmic proteins that form a <200-nm plaque linking the ECM to the actin cytoskeleton. The complexity of focal adhesion composition and dynamics implicate an intricate molecular machine. However, focal adhesion molecular architecture remains unknown. Here we used three-dimensional super-resolution fluorescence microscopy (interferometric photoactivated localization microscopy) to map nanoscale protein organization in focal adhesions. Our results reveal that integrins and actin are vertically separated by a ∼40-nm focal adhesion core region consisting of multiple protein-specific strata: a membrane-apposed integrin signalling layer containing integrin cytoplasmic tails, focal adhesion kinase and paxillin; an intermediate force-transduction layer containing talin and vinculin; and an uppermost actin-regulatory layer containing zyxin, vasodilator-stimulated phosphoprotein and α-actinin. By localizing amino- and carboxy-terminally tagged talins, we reveal talin's polarized orientation, indicative of a role in organizing the focal adhesion strata. The composite multilaminar protein architecture provides a molecular blueprint for understanding focal adhesion functions.

We report a monomeric yellow-green fluorescent protein, mNeonGreen, derived from a tetrameric fluorescent protein from the cephalochordate Branchiostoma lanceolatum. mNeonGreen is the brightest monomeric green or yellow fluorescent protein yet described to our knowledge, performs exceptionally well as a fusion tag for traditional imaging as well as stochastic single-molecule superresolution imaging and is an excellent fluorescence resonance energy transfer (FRET) acceptor for the newest cyan fluorescent proteins.

A key challenge when imaging living cells is how to noninvasively extract the most spatiotemporal information possible. Unlike popular wide-field and confocal methods, plane-illumination microscopy limits excitation to the information-rich vicinity of the focal plane, providing effective optical sectioning and high speed while minimizing out-of-focus background and premature photobleaching. Here we used scanned Bessel beams in conjunction with structured illumination and/or two-photon excitation to create thinner light sheets (<0.5 μm) better suited to three-dimensional (3D) subcellular imaging. As demonstrated by imaging the dynamics of mitochondria, filopodia, membrane ruffles, intracellular vesicles and mitotic chromosomes in live cells, the microscope currently offers 3D isotropic resolution down to ∼0.3 μm, speeds up to nearly 200 image planes per second and the ability to noninvasively acquire hundreds of 3D data volumes from single living cells encompassing tens of thousands of image frames.

All organic fluorophores undergo irreversible photobleaching during prolonged illumination. Although fluorescent proteins typically bleach at a substantially slower rate than many small-molecule dyes, in many cases the lack of sufficient photostability remains an important limiting factor for experiments requiring large numbers of images of single cells. Screening methods focusing solely on brightness or wavelength are highly effective in optimizing both properties, but the absence of selective pressure for photostability in such screens leads to unpredictable photobleaching behavior in the resulting fluorescent proteins. Here we describe an assay for screening libraries of fluorescent proteins for enhanced photostability. With this assay, we developed highly photostable variants of mOrange (a wavelength-shifted monomeric derivative of DsRed from Discosoma sp.) and TagRFP (a monomeric derivative of eqFP578 from Entacmaea quadricolor) that maintain most of the beneficial qualities of the original proteins and perform as reliably as Aequorea victoria GFP derivatives in fusion constructs.

Using confocal and lattice light sheet microscopy, the authors perform systems-level analysis of the organelle interactome in live cells, allowing them to visualize the frequency and locality of up to five-way interactions between different organelles. Various cell components, or organelles, make contacts that are not mediated by trafficking vesicles, and which result in changes to their physical behaviour, biochemical composition and functionality. Imaging is a powerful tool for studying inter-organelle contact sites, but work by Jennifer Lippincott-Schwartz and colleagues take such analysis to a new level. Using confocal and lattice light sheet microscopy, as well as a multispectral image acquisition and analysis method, they perform systems-level analysis of the organelle interactome in live cells. The approach allows them to visualize the frequency and locality of up to five-way interactions among six different organelles (endoplasmic reticulum, Golgi, lysosome, peroxisome, mitochondria and lipid droplet), providing unexpected insights into the dynamics of these interactions. The method could prove a useful tool for further analysis of non-vesicular communication within the cell. The organization of the eukaryotic cell into discrete membrane-bound organelles allows for the separation of incompatible biochemical processes, but the activities of these organelles must be coordinated. For example, lipid metabolism is distributed between the endoplasmic reticulum for lipid synthesis, lipid droplets for storage and transport, mitochondria and peroxisomes for β-oxidation, and lysosomes for lipid hydrolysis and recycling1,2,3,4,5. It is increasingly recognized that organelle contacts have a vital role in diverse cellular functions5,6,7,8. However, the spatial and temporal organization of organelles within the cell remains poorly characterized, as fluorescence imaging approaches are limited in the number of different labels that can be distinguished in a single image9. Here we present a systems-level analysis of the organelle interactome using a multispectral image acquisition method that overcomes the challenge of spectral overlap in the fluorescent protein palette. We used confocal and lattice light sheet10 instrumentation and an imaging informatics pipeline of five steps to achieve mapping of organelle numbers, volumes, speeds, positions and dynamic inter-organelle contacts in live cells from a monkey fibroblast cell line. We describe the frequency and locality of two-, three-, four- and five-way interactions among six different membrane-bound organelles (endoplasmic reticulum, Golgi, lysosome, peroxisome, mitochondria and lipid droplet) and show how these relationships change over time. We demonstrate that each organelle has a characteristic distribution and dispersion pattern in three-dimensional space and that there is a reproducible pattern of contacts among the six organelles, that is affected by microtubule and cell nutrient status. These live-cell confocal and lattice light sheet spectral imaging approaches are applicable to any cell system expressing multiple fluorescent probes, whether in normal conditions or when cells are exposed to disturbances such as drugs, pathogens or stress. This methodology thus offers a powerful descriptive tool and can be used to develop hypotheses about cellular organization and dynamics.

Understanding molecular-scale architecture of cells requires determination of 3D locations of specific proteins with accuracy matching their nanometer-length scale. Existing electron and light microscopy techniques are limited either in molecular specificity or resolution. Here, we introduce interferometric photoactivated localization microscopy (iPALM), the combination of photoactivated localization microscopy with single-photon, simultaneous multiphase interferometry that provides sub-20-nm 3D protein localization with optimal molecular specificity. We demonstrate measurement of the 25-nm microtubule diameter, resolve the dorsal and ventral plasma membranes, and visualize the arrangement of integrin receptors within endoplasmic reticulum and adhesion complexes, 3D protein organization previously resolved only by electron microscopy. iPALM thus closes the gap between electron tomography and light microscopy, enabling both molecular specification and resolution of cellular nanoarchitecture.

Electron microscopy (EM) achieves the highest spatial resolution in protein localization, but specific protein EM labeling has lacked generally applicable genetically encoded tags for in situ visualization in cells and tissues. Here we introduce "miniSOG" (for mini Singlet Oxygen Generator), a fluorescent flavoprotein engineered from Arabidopsis phototropin 2. MiniSOG contains 106 amino acids, less than half the size of Green Fluorescent Protein. Illumination of miniSOG generates sufficient singlet oxygen to locally catalyze the polymerization of diaminobenzidine into an osmiophilic reaction product resolvable by EM. MiniSOG fusions to many well-characterized proteins localize correctly in mammalian cells, intact nematodes, and rodents, enabling correlated fluorescence and EM from large volumes of tissue after strong aldehyde fixation, without the need for exogenous ligands, probes, or destructive permeabilizing detergents. MiniSOG permits high quality ultrastructural preservation and 3-dimensional protein localization via electron tomography or serial section block face scanning electron microscopy. EM shows that miniSOG-tagged SynCAM1 is presynaptic in cultured cortical neurons, whereas miniSOG-tagged SynCAM2 is postsynaptic in culture and in intact mice. Thus SynCAM1 and SynCAM2 could be heterophilic partners. MiniSOG may do for EM what Green Fluorescent Protein did for fluorescence microscopy.

A variety of genetically encoded reporters use changes in fluorescence (or Förster) resonance energy transfer (FRET) to report on biochemical processes in living cells. The standard genetically encoded FRET pair consists of CFPs and YFPs, but many CFP-YFP reporters suffer from low FRET dynamic range, phototoxicity from the CFP excitation light and complex photokinetic events such as reversible photobleaching and photoconversion. We engineered two fluorescent proteins, Clover and mRuby2, which are the brightest green and red fluorescent proteins to date and have the highest Förster radius of any ratiometric FRET pair yet described. Replacement of CFP and YFP with these two proteins in reporters of kinase activity, small GTPase activity and transmembrane voltage significantly improves photostability, FRET dynamic range and emission ratio changes. These improvements enhance detection of transient biochemical events such as neuronal action-potential firing and RhoA activation in growth cones.