The spin of an electron is a natural two-level system for realizing a quantum bit in the solid state. For an electron trapped in a semiconductor quantum dot, strong quantum confinement highly suppresses the detrimental effect of phonon-related spin relaxation. However, this advantage is offset by the hyperfine interaction between the electron spin and the 10(4) to 10(6) spins of the host nuclei in the quantum dot. Random fluctuations in the nuclear spin ensemble lead to fast spin decoherence in about ten nanoseconds. Spin-echo techniques have been used to mitigate the hyperfine interaction, but completely cancelling the effect is more attractive. In principle, polarizing all the nuclear spins can achieve this but is very difficult to realize in practice. Exploring materials with zero-spin nuclei is another option, and carbon nanotubes, graphene quantum dots and silicon have been proposed. An alternative is to use a semiconductor hole. Unlike an electron, a valence hole in a quantum dot has an atomic p orbital which conveniently goes to zero at the location of all the nuclei, massively suppressing the interaction with the nuclear spins. Furthermore, in a quantum dot with strong strain and strong quantization, the heavy hole with spin-3/2 behaves as a spin-1/2 system and spin decoherence mechanisms are weak. We demonstrate here high fidelity (about 99 per cent) initialization of a single hole spin confined to a self-assembled quantum dot by optical pumping. Our scheme works even at zero magnetic field, demonstrating a negligible hole spin hyperfine interaction. We determine a hole spin relaxation time at low field of about one millisecond. These results suggest a route to the realization of solid-state quantum networks that can intra-convert the spin state with the polarization of a photon.

Semiconductors have uniquely attractive properties for electronics and photonics. However, it has been difficult to find a highly coherent quantum state in a semiconductor for applications in quantum sensing and quantum information processing. We report coherent population trapping, an optical quantum interference effect, on a single hole. The results demonstrate that a hole spin in a quantum dot is highly coherent.

Autophagosome clearance is accomplished by SNARE-mediated fusion of the vesicle membrane with the endolysosome. This must be carefully regulated to maintain the organisation of the membrane system and prevent mistargeted degradation. Here, we dissect the autophagosomal SNARE complex pathway and its regulation using FLIM-FRET as a readout of protein interaction in situ. We show that within the spatio-temporal framework of the cell, autophagosomal Stx17 preferentially heterodimerises with SNAP29, subsequently associating with VAMP7, not VAMP8 as currently believed. Additionally, we identify for the first time multi-modal regulation of SNARE assembly by the SM protein VPS33A, finding parallels and differences with other syntaxin-SM interactions and suggesting a unifying model of SM regulation. Contrary to current theory, the Stx17 N-peptide interacts in a positionally conserved, but mechanistically divergent manner with VPS33A, providing a late go, no-go step for autophagic fusion via a phosphoserine master-switch.

The solubilization of membranes by detergents is critical for many technological applications and has become widely used in biochemistry research to induce cell rupture, extract cell constituents, and to purify, reconstitute and crystallize membrane proteins. The thermodynamic details of solubilization have been extensively investigated, but the kinetic aspects remain poorly understood. Here we used a combination of single-vesicle Förster resonance energy transfer (svFRET), fluorescence correlation spectroscopy and quartz-crystal microbalance with dissipation monitoring to access the real-time kinetics and elementary solubilization steps of sub-micron sized vesicles, which are inaccessible by conventional diffraction-limited optical methods. Real-time injection of a non-ionic detergent, Triton X, induced biphasic solubilization kinetics of surface-immobilized vesicles labelled with the Dil/DiD FRET pair. The nanoscale sensitivity accessible by svFRET allowed us to unambiguously assign each kinetic step to distortions of the vesicle structure comprising an initial fast vesicle-swelling event followed by slow lipid loss and micellization. We expect the svFRET platform to be applicable beyond the sub-micron sizes studied here and become a unique tool to unravel the complex kinetics of detergent-lipid interactions.

Abstract Biomechanical cues from the extracellular matrix (ECM) are essential for directing many cellular processes, from normal development and repair, to disease progression. To better understand cell-matrix interactions, we have developed a new instrument named ‘OptoRheo’ that combines light sheet fluorescence microscopy with particle tracking microrheology. OptoRheo lets us image cells in 3D as they proliferate over several days while simultaneously sensing the mechanical properties of the surrounding extracellular and pericellular matrix at a sub-cellular length scale. OptoRheo can be used in two operational modalities (with and without an optical trap) to extend the dynamic range of microrheology measurements. We corroborated this by characterising the ECM surrounding live breast cancer cells in two distinct culture systems, cell clusters in 3D hydrogels and spheroids in suspension culture. This cutting-edge instrument will transform the exploration of drug transport through complex cell culture matrices and optimise the design of the next-generation of disease models.