Multi-color live-cell STED nanoscopy of mitochondria with a gentle inner membrane stain

扫描电镜 线粒体 细胞生物学 活体细胞成像 光漂白 化学 细胞器 生物物理学 生物 受激发射 细胞 荧光 光学 生物化学 物理 激光器
作者
Tianyan Liu,Till Stephan,Peng Chen,Jingting Chen,Dietmar Riedel,Zhongtian Yang,Stefan Jakobs,Zhixing Chen
标识
DOI:10.1101/2022.05.09.491019
摘要

Abstract Capturing mitochondria’s intricate and dynamic structure poses a daunting challenge for optical nanoscopy. Different labeling strategies have been demonstrated for live-cell stimulated emission depletion (STED) microscopy of mitochondria, but orthogonal strategies are yet to be established, and image acquisition has suffered either from photodamage to the organelles or from rapid photobleaching. Therefore, live-cell nanoscopy of mitochondria has been largely restricted to 2D single-color recordings of cancer cells. Here, by conjugation of cyclooctatetraene to a benzo-fused cyanine dye, we report a mitochondrial inner-membrane (IM) fluorescent marker, PK Mito Orange (PKMO), featuring efficient STED at 775 nm, strong photostability and markedly reduced phototoxicity. PKMO enables super-resolution recordings of inner-membrane dynamics for extended periods in immortalized mammalian cell lines, primary cells, and organoids. Photostability and reduced phototoxicity of PKMO open the door to live-cell 3D STED nanoscopy of mitochondria for three-dimensional analysis of the convoluted IM. PKMO is optically orthogonal with green and far-red markers allowing multiplexed recordings of mitochondria using commercial STED microscopes. Using multi-color STED, we demonstrate that imaging with PKMO can capture the sub-mitochondrial localization of proteins, or interactions of mitochondria with different cellular components, such as the ER or the cytoskeleton at sub-100 nm resolution. Thereby, this work offers a versatile tool for studying mitochondrial inner-membrane architecture and dynamics in a multiplexed manner.
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