Single-molecule spectroscopy and imaging of biomolecules in living cells

Analytical Chemistry

Volumn 82, Issue 6, 2010, Pages 2192-2203

  Lord, Samuel J ^a   Lee, Hslao Lu D ^a   Moerner, W E ^a  

^a STANFORD UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

HETEROGENEOUS POPULATIONS; LIVE-CELL IMAGING; LIVING CELL; ROOM TEMPERATURE; SINGLE MOLECULE; SINGLE-MOLECULE BIOPHYSICS; SINGLE-MOLECULE IMAGING; SINGLE-MOLECULE SPECTROSCOPY;

BIOMOLECULES;

MOLECULES;

ANIMAL; ARTICLE; BIOPHYSICS; CELL MEMBRANE; CELL STRUCTURE; CYTOSKELETON; EQUIPMENT DESIGN; FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER; GENE EXPRESSION; HUMAN; INSTRUMENTATION; METABOLISM; METHODOLOGY; MICROSCOPY; NUCLEOLUS; SPECTROSCOPY; TRANSPORT AT THE CELLULAR LEVEL; ULTRASTRUCTURE;

ANIMALS; BIOLOGICAL TRANSPORT; BIOPHYSICS; CELL MEMBRANE; CELL NUCLEOLUS; CELLULAR STRUCTURES; CYTOSKELETON; EQUIPMENT DESIGN; FLUORESCENCE RESONANCE ENERGY TRANSFER; GENE EXPRESSION; HUMANS; MICROSCOPY; SPECTRUM ANALYSIS;

EID: 77949841947     PISSN: 00032700     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ac9024889     Document Type: Article

References (123)

1. Smith, S. B.; Finzi, L.; Bustamante, C. Science 1992, 258, 1122-1126.
2. Svoboda, K.; Schmidt, C. F.; Schnapp, B. J.; Block, S. M. Nature 1993, 365, 721-727.
3. Strick, T. R.; Allemand, J.; Bensimon, D.; Bensimon, A.; Croquette, V. Science 1996, 271, 1835-1837.
4. Florin, E.; Moy, V.; Gaub, H. Science 1994, 264, 415-417.
5. Rotman, B. Proc. Natl. Acad Sci. USA. 1961, 47, 1981-1991.
6. Morikawa, K.; Yanagida, M. J. Biochem. 1981, 89, 693-696.
7. Perkins, T. T.; Quake, S. R.; Smith, D. E.; Chu, S. Science 1994, 264, 822-826.
8. Barak, L. S.; Webb, W. W. J. Cell Biol. 1982, 95, 846-852.
9. Mehta, A. D.; Reif, M.; Spudich, J. A.; Smith, D. A.; Simmons, R. M. Science 1999, 283, 1689-1695.
10. Lakadamyali, M.; Rust, M. J.; Babcock, H. P.; Zhuang, X. Proc. Natl. Acad Sci. USA. 2003, 100, 9280-9285.
11. Rigler, R.; Elson, E.; Elson, E. Fluorescence Correlation Spectroscopy, Springer Series in Chemical Physics; Schaefer, F. P., Toennies, J. P., Zinth, W., Eds.; Springer; Berlin, 2001; Vol.65.
12. Hess, S. T.; Huang, S.; Heikal, A. A.; Webb, W. W. Biochemistry 2002, 41, 697-705.
13. Moerner, W. E.; Kador, L Phys. Rev. Lett. 1989, 62, 2535-2538.
14. Orrit, M.; Bernard, J. Phys. Rev. Lett. 1990, 65, 2716-2719.
15. Moerner, W. E. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 910-927.
16. Shera, E. B.; Seitzinger, N. K.; Davis, L. M.; Keller, R. A.; Soper, S. A. Chem. Phys. Lett. 1990, 174, 553-557.
17. Eigen, M.; Rigler, R. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994, 91, 5740-5747.
18. Nie, S.; Chiu, D. T.; Zare, R. N. Science 1994, 266, 1018-1021.
19. Barnes, M. D.; Ng, K. C.; Whitten, W. B.; Ramsey, J. M. Anal. Chem. 1993, 65, 2360-2365.
20. Betzig, E.; Chichester, R. J. Science 1993, 262, 1422-1428.
21. Dickson, R. M.; Norris, D. J.; Tzeng, Y. L.; Moerner, W. E. Science 1996, 274, 966-969.
22. Deniz, A. A.; Mukhopadhyay, S.; Lemke, E. A. J. R. Soc. Interface 2008, 5, 15-45.
23. Joo, C.; Balci, H.; Ishitsuka, Y.; Buranachai, C.; Ha, T. Annu. Rev. Biochem. 2008, 77, 51-76.
24. Dickson, R. M.; Cubitt, A. B.; Tsien, R. Y.; Moerner, W. E. Nature 1997, 388, 355-358.
25. Ha, T.; Enderle, T.; Ogletree, D. F.; Chemla, D. S.; Selvin, P. R.; Weiss, S. Proc. Natl. Acad Sci. USA. 1996, 93, 6264-6268.
26. Schmidt, T.; Schutz, G. J.; Baumgartner, W.; Gruber, H. J.; Schindler, H. Proc. Natl. Acad Sci. USA. 1996, 93, 2926-2929.
27. Funatsu, T.; Harada, Y.; Tokunaga, M.; Saito, K.; Yanagida, T. Nature 1995, 374, 555-559.
28. Sase, I.; Miyata, H.; Corrie, J. E.; Craik, J. S.; Kinosita, K., Jr. Biophys. J. 1995, 69, 323-328.
29. Vale, R. D.; Funatsu, T.; Pierce, D. W.; Romberg, L.; Harada, Y.; Yanagida, T. Nature 1996, 380, 451-1153
30. Sosa, H.; Peterman, E. J. G.; Moerner, W. E.; Goldstein, L. S. B. Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 540-544.
31. Prescher, J. A.; Bertozzi, C. R. Nat. Chem. Biol. 2005, 1, 13-21.
32. Chen, I.; Ting, A. Curr. Opin. Biotech. 2005, 16, 35-40.
33. Adams, S. R.; Campbell, R. E.; Gross, L. A.; Martin, B. R.; Walkup, G. K.; Yao, Y.; Llopis, J.; Tsien, R. Y. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6063-6076.
34. Lord, S. J.; Conley, N. R.; Lee, H. D.; Nishimura, S. Y.; Pomerantz, A. K.; Willets, K A.; Lu, Z.; Wang, H.; Liu, N.; Samuel, R.; Weber, R.; Semyonov, A. N.; He, M.; Twieg, R. J.; Moerner, W. E. ChemPhysChem 2009, 10, 55-65.
35. Kim, S. Y.; Gitai, Z.; Kinkhabwala, A.; Shapiro, L.; Moerner, W. E. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2006, 103, 10929-10934.
36. Elf, J.; Li, G. W.; Xie, X. S. Science 2007, 316, 1191-1194.
37. Giepmans, B. N. G.; Adams, S. R.; Ellisman, M. H.; Tsien, R. Y. Science 2006, 312, 217-224.
38. Chalfie, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 5603-5611.
39. Harms, G. S.; Cognet, L.; Lommerse, P. H. M.; Blab, G. A.; Schmidt, T. Biophys. J. 2001, 80, 2396-2408.
40. Douglass, A. D.; Vale, R. D. Methods Cell Biol. 2008, 85, 113-125.
41. Shaner, N. C.; Steinbach, P. A.; Tsien, R. Y. Nat. Methods 2005, 2, 905-909.
42. Peterman, E. J. G.; Brasselet, S.; Moerner, W. E. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 10553-10560.
43. Schmidt, T.; Kubitscheck, U.; Rohler, D.; Nienhaus, U. Single Mol. 2002, 3, 327.
44. Soper, S. A.; Nutter, H. L.; Keller, R. A.; Davis, L. M.; Shera, E. B. Photochem. Photobiol. 1993, 57, 972-977.
45. Margineanu, A.; Hofkens, J.; Cotlet, M.; Habuchi, S.; Stefan, A.; Qu, J.; Kohl, C.; Mullen, K.; Vercammen, J.; Engelborghs, Y.; Gensch, T.; De Schryver, F. C. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 12242-12251.
46. Bruchez, M. J.; Moronne, M.; Gin, P.; Weiss, S.; Alivisatos, A. P. Science 1998, 281, 2013-2016.
47. Resch-Genger, U.; Grabolle, M.; Cavaliere-Jaricot, S.; Nitschke, R.; Nann, T. Nat. Methods 2008, 5, 763-775.
48. Richards, C. I.; Choi, S.; Hsiang, J.; Antoku, Y.; Vosch, T.; Bongiorno, A.; Tzeng, Y.; Dickson, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5038-5039.
49. Wu, S.; Han, G.; Milliron, D. J.; Aloni, S.; Altoe, V.; Talapin, D. V.; Cohen, B. E.; Schuck, P. J. Proc. Nat. Acad Sci. USA. 2009, 106, 10917-10921.
50. Lukyanov, K. A.; Chudakov, D. M.; Lukyanov, S.; Verkhusha, V. V. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2005, 6, 885-891.
51. Lippincott-Schwartz, J.; Patterson, G. H. Methods Cell Biol. 2008, 85, 45-61.
52. Heilemann, M.; Margeat, E.; Kasper, R.; Sauer, M.; Tinnefeld, P. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 3801-3806.
53. Bates, M.; Blosser, T. R.; Zhuang, X. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 108101-1-108101-108104
54. Conley, N. R.; Biteen, J. S.; Moerner, W. E. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 11878-11880.
55. Lord, S. J.; Conley, N. R.; Lee, H. D.; Samuel, R.; Liu, N.; Twieg, R. J.; Moerner, W. E. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9204-9205.
56. Fölling, J.; Belov, V.; Kunetsky, R.; Medda, R.; Schönle, A.; Egner, A.; Eggeling, C.; Bossi, M.; Hell, S. W. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 6266-6270.
57. Marriott, G.; Mao, S.; Sakata, T.; Ran, J.; Jackson, D. K.; Petchprayoon, C.; Gomez, T. J.; Warp, E.; Tulyathan, O.; Aaron, H. L.; Isacoff, E. Y.; Yan, Y. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2008, 105, 17789-17794.
58. Han, G.; Mokari, T.; Ajo-Franklin, C.; Cohen, B. E. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15811-15813.
59. Tian, Z.; Wu, W.; Wan, W.; Li, A. D. Q. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4245-11252
60. Fernandez-Suarez, M.; Ting, A. Y. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2008, 9, 929-943.
61. Park, H.; Hanson, G. T.; Duff, S. R.; Selvin, P. R. J. Microsc. 2004, 216, 199-205.
62. O'Hare, H. M.; Johnsson, K.; Gautier, A. Curr. Opin. Struct. Biol. 2007, 17, 488-1194
63. Moerner, W. E.; Fromm, D. P. Rev. Sci. Instrum. 2003, 74, 3597-3619.
64. Michalet, X.; Siegmund, O. H. W.; Vallerga, J. V.; Jelinsky, P.; Millaud, J. E.; Weiss, S. J. Mod. Opt. 2007, 54, 239.
65. Moerner, W. E. Trends Anal. Chem. 2003, 22, 544-548.
66. Sako, Y.; Yanagida, T. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2003, 4, SSl-5.
67. Vrljic, M.; Nishimura, S. Y.; Moerner, W. E. Methods Mot. Biol. 2007, 398, 193-219.
68. Wieser, S.; Schütz, G. J. Methods 2008, 46, 131-140.
69. Kusumi, A.; Nakada, C.; Ritchie, K.; Murase, K.; Suzuki, K.; Murakoshi, H.; Kasai, R. S.; Kondo, J.; Fujiwara, T. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2005, 34, 351-378.
70. Kusumi, A.; Sako, Y. Curr. Opin. Cell Biol. 1996, 8, 566-574.
71. Vrljic, M.; Nishimura, S. Y.; Brasselet, S.; Moerner, W. E.; McConnell, H. M. Biophys. J. 2002, 83, 2681-2692.
72. Nishimura, S. Y.; Vrljic, M.; Hein, L. O.; McConnell, H. M.; Moerner, W. E. Biophys. J. 2006, 90, 927-938.
73. Nishimura, S. Y.; Lord, S. J.; Hein, L. O.; Willets, K A.; He, M.; Lu, Z.; Twieg, R. J.; Moerner, W. E. J. Phys. Chem B 2006, 110, 8151-8157.
74. Umemura, Y. M.; Vrljic, M.; Nishimura, S. Y.; Fujiwara, T. K.; Suzuki, K. G. N.; Kusumi, A. Biophys. J. 2008, 95, 435-450.
75. Lee, H. D.; Dubikovskaya, E. A.; Hwang, H.; Semyonov, A. N.; Wang, H.; Jones, L. R.; Twieg, R. J.; Moerner, W. E.; Wender, P. A. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 9364-9370.
76. Dahan, M.; Levi, S.; Luccardini, C.; Rostaing, P.; Riveau, B.; Triller, A. Science 2003, 302, 442-445.
77. Harms, G. S.; Cognet, L.; Lommerse, P. H. M.; Blab, G. A.; Kahr, H.; Gamsjaeger, R.; Spaink, H. P.; Soldatov, N. M.; Romanin, C.; Schmidt, T. Biophys. J. 2001, 81, 2639-2646.
78. Schütz, G. J.; Pastushenko, V. P.; Gruber, H. J.; Knaus, H.; Pragl, B.; Schindler, H. Single Mol. 2000, 1, 25-31.
79. Ueda, M.; Sako, Y.; Tanaka, T.; Devreotes, P.; Yanagida, T. Science 2001, 294, 864-867.
80. Ulbrich, M. H.; Isacoff, E. Y. Nat. Methods 2007, 4, 319-321.
81. Haggie, P. M.; Verkman, A. S. J. Biot. Chem. 2008, 283, 23510-23513.
82. Yang, W.; Gelles, J.; Musser, S. M. Proc. Nat Acad Sci. USA 2004, 101, 12887-12892.
83. Kubitscheck, U.; Grunwald, D.; Hoekstra, A.; Rohleder, D.; Kues, T.; Siebrasse, J. P.; Peters, R. J. Celt Biol. 2005, 168, 233-243.
84. Knemeyer, J.; Herten, D.; Sauer, M. Anal. Chem 2003, 75, 2147-2153.
85. Deich, J.; Judd, E. M.; McAdams, H. H.; Moerner, W. E. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2004, 101, 15921-15926.
86. Bowman, G. R.; Comolli, L. R.; Zhu, J.; Eckart, M.; Koenig, M.; Downing, K. H.; Moerner, W. E.; Earnest, T.; Shapiro, L. Cell 2008, 134, 945-955.
87. Biteen, J. S.; Thompson, M. A.; Tselentis, N. K.; Bowman, G. R.; Shapiro, L; Moerner, W. E. Nat. Methods 2008, 5, 947-949.
88. Niu, L; Yu, P. Biophys. J. 2008, 95, 2009-2016.
89. Cui, B.; Wu, C.; Chen, L.; Ramirez, A.; Bearer, E. L.; Li, W.; Mobley, W. C.; Chu, S. Proc. Nat. Acad Sci. USA 2007, 104, 13666-13671.
90. Ambrose, W. P.; Basché, T.; Moerner, W. E. J. Chem. Phys. 1991, 95, 7150-7163.
91. Seisenberger, G.; Ried, M. U.; Endress, T.; Buning, H.; Hallek, M.; Braeuchle, C. Science 2001, 294, 1929-1932.
92. Cai, D.; Verhey, K. J.; Meyhöfer, E. Biophys. J. 2007, 92, 4137-4144.
93. Herobon, P.; Achouri, S.; Courty, S.; Dunn, A. R.; Spudich, J. A.; Dahan, M.; Cappello, G. Biophys. J. 2009, 96, 4268-4275.
94. Yu, J.; Xiao, J.; Ren, X.; Lao, K; Xie, X. S. Science 2006, 311, 1600-1603.
95. Xie, X. S.; Choi, P. J.; Li, G. W.; Lee, N. K.; Lia, G. Annu. Rev. Biophys. 2008, 37, 417-1144
96. Sako, Y.; Minoghchi, S.; Yanagida, T. Nat. Cell Biol. 2000, 2, 168-172.
97. Webb, S. E. D.; Needham, S. R.; Roberts, S. K.; Martin-Fernandez, M. L. Opt. Lett. 2006, 31, 2157-2159.
98. Murakoshi, H.; Iino, R.; Kobayashi, T.; Fujiwara, T.; Ohshima, C.; Yoshimura, A.; Kusumi, A. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2004, 101, 7317-7322.
99. Ambrose, W. P.; Moerner, W. E. Nature 1991, 349, 225-227.
100. Betzig, E. Opt Lett 1995, 20, 237-239.
101. van Oijen, A. M.; Köhler, J.; Schmidt, J.; Müller, M.; Brakenhoff, G. J. Chem. Phys. Lett 1998, 292, 183-187.
102. Betzig, E.; Patterson, G. H.; Sougrat, R.; Lindwasser, O. W.; Olenych, S.; Bonifacino, J. S.; Davidson, M. W.; Lippincott-Schwartz, J.; Hess, H. F. Science 2006, 313, 1642-1645.
103. Rust, M. J.; Bates, M.; Zhuang, X. Nat. Methods 2006, 3, 793-795.
104. Hess, S. T.; Girirajan, T. P. K; Mason, M. D. Biophys. J. 2006, 91, 4258-4272.
105. Westphal, V.; Rizzoli, S. O.; Lauterbach, M. A.; Kamin, D.; Jahn, R.; Hell, S. W. Science 2008, 320, 246-249.
106. Kner, P.; Chhun, B. B.; Griffis, E. R.; Winoto, L.; Gustafsson, M. G. L. Nat. Methods 2009, 6, 339-342.
107. Hess, S. T.; Gould, T. J.; Gudheti, M. V.; Maas, S. A.; Mills, K. D.; Zimmerberg, J. Proc. NatlAcad Sci. USA 2007, 104, 17370-17375.
108. Manley, S.; Gillette, J. M.; Patterson, G. H.; Shroff, H.; Hess, H. F.; Betzig, E.; Lippincott-Schwartz, J. AW. Methods 2008, 5, 155-157.
109. Shroff, H.; Galbraith, C. G.; Galbraith, J. A.; Betzig, E. Nat. Methods 2008, 5, 417-423.
110. Schaaf, M. J. M.; Koopmans, W. J. A.; Meckel, T.; van Noort, J.; SnaarJagalska, B.; Schmidt, T. S.; Spaink, H. P. Biophys. J. 2009, 97, 1206-1214.
111. Hartman, N. C.; Nye, J. A.; Groves, J. T. Proc. Natl Acad Sci. USA 2009, 106, 12729-12734.
112. Lutz, C.; Otis, T. S.; DeSars, V.; Charpak, S.; DiGregorio, D. A.; Emiliani, V. Nat. Methods 2008, 5, 821-827.
113. Pavani, S. R. P.; Thompson, M. A.; Biteen, J. S.; Lord, S. J.; Liu, N.; Twieg, R. J.; Piestun, R.; Moerner, W. E. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A 2009, 106, 2995-2999.
114. Wilt, B. A.; Burns, L. D.; Wei Ho, E. T.; Ghosh, K. K; Mukamel, E. A.; Schnitzer, M. J. Annu. Rev. Neurosa. 2009, 32, 435-506.
115. Tadakuma, H.; Yamaguchi, J.; Ishihama, Y.; Funatsu, T. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2001, 287, 323-327.
116. Botcherby, E. J.; Booth, M. J.; Juskaitis, R.; Wilson, T. Opt. Express 2008, 16, 21843-21848.
117. Howard, J.; Hudspeth, A. J.; Vale, R. D. Nature 1989, 342, 154-158.
118. Pierce, D. W.; Hom-Booher, N.; Vale, R. D. Nature 1997, 388, 338-338
119. Dickson, R. M.; Norris, D. J.; Moerner, W. E. Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 5322-5325.
120. Yildiz, A.; Forkey, J. N.; McKinner, S. A.; Ha, T.; Goldman, Y. E.; Selvin, P. R. Science 2003, 300, 2061-2065.
121. Churchman, L. S.; Oekten, Z.; Rock, R. S.; Dawson, J. F.; Spudich, J. A. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A 2005, 102, 1419-1423.
122. Tani, T.; Miyamoto, Y.; Fujimori, K. E.; Taguchi, T.; Yanagida, T.; Sako, Y.; Harada, Y. J. Neurosa. 2005, 25, 2181-2191.
123. Courty, S.; Luccardini, C.; Bellaiche, Y.; Cappello, G.; Dahan, M. Nano Lett. 2006, 6, 1491-1495.