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By overcoming the diffraction limit in light microscopy, super-resolution techniques, such as stimulated emission depletion (STED) microscopy, are experiencing an increasing impact on life sciences. High costs and technically demanding setups, however, may still hinder a wider distribution of this innovation in biomedical research laboratories. As far-field microscopy is the most widely employed microscopy modality in the life sciences, upgrading already existing systems seems to be an attractive option for achieving diffraction-unlimited fluorescence microscopy in a cost-effective manner. Here, we demonstrate the successful upgrade of a commercial time-resolved confocal fluorescence microscope to an easy-to-align STED microscope in the single-beam path layout, previously proposed as "easy-STED", achieving lateral resolution <lambda/10 corresponding to a five-fold improvement over a confocal modality. For this purpose, both the excitation and depletion laser beams pass through a commercially available segmented phase plate that creates the STED-doughnut light distribution in the focal plane, while leaving the excitation beam unaltered when implemented into the joint beam path. Diffraction-unlimited imaging of 20 nm-sized fluorescent beads as reference were achieved with the wavelength combination of 635 nm excitation and 766 nm depletion. To evaluate the STED performance in biological systems, we compared the popular phalloidin-coupled fluorescent dyes Atto647N and Abberior STAR635 by labeling F-actin filaments in vitro as well as through immunofluorescence recordings of microtubules in a complex epithelial tissue. Here, we applied a recently proposed deconvolution approach and showed that images obtained from time-gated pulsed STED microscopy may benefit concerning the signal-to-background ratio, from the joint deconvolution of sub-images with different spatial information which were extracted from offline time gating.
Das Centrosom von Dictyostelium ist acentriolär aufgebaut, misst ca. 500 nm und besteht aus einer dreischichten Core-Struktur mit umgebender Corona, an der Mikrotubuli nukleieren. In dieser Arbeit wurden das centrosomale Protein Cep192 und mögliche Interaktionspartner am Centrosom eingehend untersucht. Die einleitende Lokalisationsuntersuchung von Cep192 ergab, dass es während der gesamten Mitose an den Spindelpolen lokalisiert und im Vergleich zu den anderen Strukturproteinen der Core-Struktur am stärksten exprimiert ist. Die dauerhafte Lokalisation an den Spindelpolen während der Mitose wird für Proteine angenommen, die in den beiden identisch aufgebauten äußeren Core-Schichten lokalisieren, die das mitotische Centrosom formen. Ein Knockdown von Cep192 führte zur Ausbildung von überzähligen Mikrotubuli-organisierenden Zentren (MTOC) sowie zu einer leicht erhöhten Ploidie. Deshalb wird eine Destabilisierung des Centrosoms durch die verminderte Cep192-Expression angenommen. An Cep192 wurden zwei kleine Tags, der SpotH6- und BioH6-Tag, etabliert, die mit kleinen fluoreszierenden Nachweiskonjugaten markiert werden konnten. Mit den so getagten Proteinen konnte die hochauflösende Expansion Microscopy für das Centrosom optimiert werden und die Core-Struktur erstmals proteinspezifisch in der Fluoreszenzmikroskopie dargestellt werden. Cep192 lokalisiert dabei in den äußeren Core-Schichten. Die kombinierte Markierung von Cep192 und den centrosomalen Proteinen CP39 und CP91 in der Expansion Microscopy erlaubte die Darstellung des dreischichtigen Aufbaus der centrosomalen Core-Struktur, wobei CP39 und CP91 zwischen Cep192 in der inneren Core-Schicht lokalisieren. Auch die Corona wurde in der Expansion Microscopy untersucht: Das Corona-Protein CDK5RAP2 lokalisiert in räumlicher Nähe zu Cep192 in der inneren Corona. Ein Vergleich der Corona-Proteine CDK5RAP2, CP148 und CP224 in der Expansion Microscopy ergab unterscheidbare Sublokalisationen der Proteine innerhalb der Corona und relativ zur Core-Struktur. In Biotinylierungsassays mit den centrosomalen Core-Proteinen CP39 und CP91 sowie des Corona-Proteins CDK5RAP2 konnte Cep192 als möglicher Interaktionspartner identifiziert werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die wichtige Funktion des Proteins Cep192 im Dictyostelium-Centrosom und ermöglichen durch die Kombination aus Biotinylierungsassays und Expansion Microscopy der untersuchten Proteine ein verbessertes Verständnis der Topologie des Centrosoms.