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Note d’application

Single-Molecule Fluorescence Imaging on the Cell Membrane


Single-Molecule Fluorescence Imaging on the Cell Membrane Using a Super High Numerical Aperture (NA) Objective Lens

Introduction

Recent advances in cell preparation and microscope optical systems have enabled imaging of single biomolecules in a live cell. Molecular dynamics, such as the binding of a physiologically active ligand to a cell, dimerization of signal molecules, and the formation of a molecular complex, can be visualized at the single molecule level in live a cell using objective lenses with a super high numerical aperture. In this study, researchers used an Olympus super high NA objective lens for fluorescence imaging of intermolecular interactions in ion channels on the cell membrane at the single molecule level.

Super high NA objective lens TIRF application

Fluorescent-protein (FP) tagged ion channel subunits are expressed in Xenopus oocytes and observed at the single molecule level by TIRF microscopy (Figure 1, left). Stochastic bleaching events of individual FPs can be observed as ‘bleaching steps’ (Figure 1, right). The number of subunits in a single ion channel complex can be determined by counting the bleaching steps from individual fluorescent spots.

Figure 1. A schematic overview of the subunit counting by single molecule photobleaching. The photobleaching steps are represented by the green arrows.
Figure 1. A schematic overview of the subunit counting by single molecule photobleaching. The photobleaching steps are represented by the green arrows.

Figure 2. Images of the fluorescent proteins Kv4.2-mCherry (left) and mEGFP-DPP10 (middle) expressed in Xenopus oocyte at the single molecule level under TIRF microscopy.
Figure 2. Images of the fluorescent proteins Kv4.2-mCherry (left) and mEGFP-DPP10 (middle) expressed in Xenopus oocyte at the single molecule level under TIRF microscopy. 

Images of the fluorescent proteins Kv4.2-mCherry Figure 2, left) and mEGFP-DPP10 (Figure 2, middle) expressed in a Xenopus oocyte were observed at the single molecule level using TIRF microscopy and super high NA objective lenses.  Each red spot represents a single Kv4.2 channel (tetramer).  Some of the green spots overlap with the red spots (white arrowheads in Figure 2, right) indicating that Kv4.2 and DPP10 form a complex.  By counting bleaching events of mEGFP from a single fluorescent spot, the number of subunits in the complex can be counted. 1  In the Figure 2 graph, four bleaching events (green arrows) were observed from a Kv4.2-mCherry/mEGFP-DPP10 spot, suggesting four DPP10 subunits were included in the complex.
1 Ulbrich, Maximilian H., and Ehud Y. Isacoff. “Subunit counting in membrane-bound proteins.” Nature methods 4, no. 4 (2007): 319–321


Movie of Kv4.2-mCherry and mEGFP-DPP10

Imaging System;
Microscope: Research Inverted Microscope IX71
Objective:  Apo 100XOHR (100X, N.A.1.65)
Ex: 488nm (Solid laser, Spectra-Physics) , 588nm (Solid laser, Coherent)
CCD camera: iXon3 EMCCD camera (Andor)
Coverslips: High refractive index coverslip (n = 1.78)

Image data courtesy of;
Masahiro Kitazawa, Ph.D., Yoshihiro Kubo, M.D.,Ph.D., Koichi Nakajo*, Ph.D.
Division of Biophysics and Neurobiology, Department of Molecular Physiology, National Institute for Physiological Sciences
*Present address:  Department of Physiology, Osaka Medical College

Reference;
J Biol Chem. 2015 Sep 11; 290(37):22724-33. doi: 10.1074/jbc.M115.646794.
J Biol Chem. 2014 Jun 20;289(25):17597-609. doi: 10.1074/jbc.M114.563452.
Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Nov 2;107(44):18862-7. doi: 10.1073/pnas.1010354107.

Conclusion

A high numerical aperture objective lens designed only for evanescent illumination can produce remarkably high contrast images even with weak fluorescent light because of the efficient formation of an evanescent wave field with a shallow penetration depth. While this type of observation requires the quantitative measurement of minute changes in fluorescence intensity due to fluorescence loss at the single molecule level, observation using a super high NA objective lens with special immersion oil and coverslips facilitates images of intermolecular interactions in ion channels in Xenopus oocyte membranes. Since these images have a high signal-to-noise ratio, changes in fluorescence intensity can be quantitatively measured.

Produits utilisés pour cette application

Système de microscope pour imagerie TIRF

IXplore TIRF

Pour les expériences de dynamique membranaire, de détection monomoléculaire et de colocalisation, le système TIRF IXplore permet de réaliser de l’imagerie TIRF (fluorescence par réflexion totale interne) multicolore simultanée d’une grande sensibilité avec jusqu’à quatre couleurs. Le système cellTIRF d’Olympus comprend un contrôle motorisé de l’angle de chaque laser d’une grande stabilité, ce qui assure une pénétration égale des ondes évanescentes pour produire des images à contraste élevé et à faible bruit. Nos objectifs TIRF présentent un rapport signal sur bruit élevé et une grande ouverture numérique et sont dotés de bagues de correction pour ajuster leur performance à l’épaisseur de la lamelle couvre-objet et à la température.

  • Colocalisation exacte d’un maximum de quatre marqueurs grâce au contrôle individuel de la profondeur de pénétration
  • Profitez de l’objectif TIRF d’Olympus doté de la plus grande ouverture numérique au monde, à 1,7*
  • Configuration intuitive des expériences complexes avec le gestionnaire d’expériences graphique (GEM), cellFRAP et U-RTCE
* En date du 25 juillet 2017. À la connaissance d’Olympus.
Objectifs haute résolution pour la super résolution/TIRF

APON-TIRF/UAPON-TIRF/UPLAPO-HR

Dotés des valeurs d’ouverture numérique les plus élevées parmi les objectifs que nous offrons, ces objectifs apochromatiques sont optimisés pour l’imagerie à super-résolution et l’imagerie TIRF à fort contraste. Obtenez une planéité étendue avec la grande ouverture numérique des objectifs UPLAPO-HR, lesquels permettent une imagerie en super-résolution et en temps réel des cellules vivantes et des micro-organites.

  • Grande ouverture numérique permettant de créer un champ d’ondes évanescentes pour des images à super-résolution ou des images TIRF à fort contraste
  • Série HR : les premiers objectifs planapochromatiques au monde* possédant une ouverture numérique de 1,5 qui permet l’obtention d’une planéité étendue

* En date de novembre 2018. Selon les recherches d’Olympus.

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