Single-molecule localization microscopy is a powerful tool for visualizing subcellular structures, interactions and protein functions in biological research. However, inhomogeneous refractive indices inside cells and tissues distort the fluorescent signal emitted from single-molecule probes, which rapidly degrades resolution with increasing depth. We propose a method that enables the construction of an in situ 3D response of single emitters directly from single-molecule blinking datasets, and therefore allows their locations to be pinpointed with precision that achieves the Cramér-Rao lower bound and uncompromised fidelity. We demonstrate this method, named in situ PSF retrieval (INSPR), across a range of cellular and tissue architectures, from mitochondrial networks and nuclear pores in mammalian cells to amyloid-β plaques and dendrites in brain tissues and elastic fibers in developing cartilage of mice. This advancement expands the routine applicability of super-resolution microscopy from selected cellular targets near coverslips to intra- and extracellular targets deep inside tissues.

Fluorescence nanoscopy has become an indispensable tool for studying organelle structures, protein dynamics, and interactions in biological sciences. Single-molecule localization microscopy can now routinely achieve 10-50 nm resolution through fluorescently labeled specimens in lateral optical sections. However, visualizing structures organized along the axial direction demands scanning and imaging each of the lateral imaging planes with fine intervals throughout the whole cell. This iterative process suffers from photobleaching of tagged probes, is susceptible to alignment artifacts and also limits the imaging speed. Here, we focused on the axial plane super-resolution imaging which integrated the single-objective light-sheet illumination and axial plane optical imaging with single-molecule localization technique to resolve nanoscale cellular architectures along the axial (or depth) dimension without scanning. We demonstrated that this method is compatible with DNA points accumulation for imaging in nanoscale topography (DNA-PAINT) and exchange-PAINT by virtue of its light-sheet illumination, allowing multiplexed super-resolution imaging throughout the depth of whole cells. We further demonstrated this proposed system by resolving the axial distributions of intracellular organelles such as microtubules, mitochondria, and nuclear pore complexes in both COS-7 cells and glioblastoma patient-derived tumor cells.

ABSTRACT Single-molecule localization microscopy is a powerful tool in visualizing organelle structures, interactions, and protein functions in biological research. However, whole-cell and tissue specimens challenge the achievable resolution and depth of nanoscopy methods. As imaging depth increases, photons emitted by fluorescent probes, the sole source of molecular positions, were scattered and aberrated, resulting in image artifacts and rapidly deteriorating resolution. We propose a method to allow constructing the in situ 3D response of single emitters directly from single-molecule dataset and therefore allow pin-pointing single-molecule locations with limit-achieving precision and uncompromised fidelity through whole cells and tissues. This advancement expands the routine applicability of super-resolution imaging from selected cellular targets near coverslips to intra- and extra-cellular targets deep inside tissues. We demonstrate this across a range of cellular-tissue architectures from mitochondrial networks, microtubules, and nuclear pores in 2D and 3D cultures, amyloid-β plaques in mouse brains to developing cartilage in mouse forelimbs.

Lignin‐based carbon nanomaterials offer several advantages, including biodegradability, biocompatibility, high specific surface area, ease of functionalization, low toxicity, and cost‐effectiveness. These materials show promise in biochemical sensing applications, particularly in the detection of metal ions, organic compounds, and human biosignals. Various methods can be employed to synthesize carbon nanomaterials with different dimensions ranging from 0D to 3D, resulting in diverse structures and physicochemical properties. This study provides an overview of the preparation techniques and characteristics of multidimensional (0‐3D) lignin‐based carbon nanomaterials, such as carbon dots (CDs), carbon nanotubes (CNTs), graphene, and carbon aerogels (CAs). Additionally, the sensing capabilities of these materials are compared and summarized, followed by a discussion on the potential challenges and future prospects in sensor development.

Abstract Cell spreading and migration play central roles in many physiological and pathophysiological processes. We have previously shown that MFN2 regulates the migration of human neutrophillike cells via suppressing Rac activation. Here, we show that in mouse embryonic fibroblasts, MFN2 suppresses RhoA activation and supports cell polarization. After the initial spreading period, the wild-type cells polarize and migrate, whereas the Mfn2 -/- cells maintain a circular shape. Increased cytosolic Ca 2+ resulting from the loss of Mfn2 is directly responsible for this phenotype, which can be rescued by expressing an artificial tether to bring mitochondria and ER to close vicinity. Elevated cytosolic Ca 2+ activates Ca 2+ /calmodulin-dependent protein kinase II, RhoA, and Myosin light-chain kinase, causing an over-activation of non-muscle myosin II and a formation of a prominent F-actin ring at the cell periphery and increased cell contractility. The formation of the peripheral actin band alters cell physics and is dependent on substrate rigidity. Our results provide a novel molecular basis to understand how MFN2 regulates distinct signaling pathways in different cells and tissue environments, which is instrumental in understanding and treating MFN2-related diseases.

Bacillus subtilis is widely used in industrial-scale riboflavin production. Previous studies have shown that targeted mutagenesis of the ribulose 5-phosphate 3-epimerase in B. subtilis can significantly enhance riboflavin production. This modification also leads to an increase in purine intermediate concentrations in the medium. Interestingly, B. subtilis exhibits remarkable efficiency in purine nucleoside synthesis, often exceeding riboflavin yields. These observations highlight the importance of the conversion steps from inosine-5'-monophosphate (IMP) to 2,5-diamino-6-ribosylamino-4(3 H)-pyrimidinone-5'-phosphate (DARPP) in riboflavin production by B. subtilis. However, research elucidating the specific impact of these reactions on riboflavin production remains limited.

Single-molecule localization microscopy (SMLM) has the highest spatial resolution among the existing super-resolution (SR) imaging techniques, but its temporal resolution needs further improvement. An sCMOS camera can effectively increase the imaging rate due to its large field of view and fast imaging speed. Using an sCMOS camera for SMLM imaging can significantly improve the imaging time resolution, but the unique single pixel-dependent readout noise of sCMOS cameras severely limits their application in SMLM imaging. This paper develops a Hessian-based SMLM (Hessian-SMLM) method that can correct the variance, gain and offset of a single pixel of a camera and effectively eliminate the pixel-dependent readout noise of sCMOS cameras, especially when the signal-to-noise ratio is low. Using Hessian SMLM to image mEos3.2-labeled actin was able to significantly reduce the artifacts due to camera noise.

Monitoring enzyme activity is crucial in both scientific research and clinical applications. However, abnormalities in a single enzyme's activity can indicate multiple diseases, limiting the specificity of single enzyme activity monitoring in clinical diagnosis. We developed a dynamic DNA walker that can be sequentially activated by two enzymes, enabling the monitoring and imaging of both enzyme activities within cells. Initially, the DNA walker contains a site for apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 (APE1). Upon APE1 activation, the DNA walker forms specific structures recognized and cleaved by Flap endonuclease 1 (FEN1). The temporal disparity between the activities of APE1 and FEN1 allows for the sequential monitoring and imaging of both enzymes, reducing the likelihood of false-positive results. To enhance local concentration and decrease reaction time, the DNA walk sequence was attached to the surface of gold nanoparticles (AuNPs). The fruition of this endeavor will facilitate the investigation and advancement of multiple enzyme activity monitoring and imaging methods and technologies, while simultaneously broadening the domains of application for DNA nanotechnology.

Vocal communication accounts for dominantly percentage within animal species. The information of vocal samples contains not only the amplitude of objects, but also the emotional state behind it. However, to extract the emotion state behind the sound remains controversial. Here we introduce an artificial network method, the Back Propagation Neural Network, BPNN, to classify the emotional state behind the sound. The results disclosed the behavior categories, including alarm, flight, begging and song has been successfully classified. This artificial intelligence classification may help us to distinguish the ecological categories via animal vocal communication and to discovery its significance of evolution and nature.