Genetically encoded tags for direct synthesis of EM-visible gold nanoparticles in cells

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作者
Zhaodi Jiang,Xiumei Jin,Yuhua Li,Sitong Liu,Xiaoman Liu,Yingying Wang,Pei Zhao,Xinbin Cai,Ying Li,Yaqi Tang,Xiaobin Sun,Yan Liu,Yong Hu,Ming Li,Gaihong Cai,Xiangbing Qi,She Chen,Li-Lin Du,Weizhong He
出处
期刊:Nature Methods [Springer Nature]
卷期号:17 (9): 937-946 被引量:29
标识
DOI:10.1038/s41592-020-0911-z
摘要

Genetically encoded tags for single-molecule imaging in electron microscopy (EM) are long-awaited. Here, we report an approach for directly synthesizing EM-visible gold nanoparticles (AuNPs) on cysteine-rich tags for single-molecule visualization in cells. We first uncovered an auto-nucleation suppression mechanism that allows specific synthesis of AuNPs on isolated tags. Next, we exploited this mechanism to develop approaches for single-molecule detection of proteins in prokaryotic cells and achieved an unprecedented labeling efficiency. We then expanded it to more complicated eukaryotic cells and successfully detected the proteins targeted to various organelles, including the membranes of endoplasmic reticulum (ER) and nuclear envelope, ER lumen, nuclear pores, spindle pole bodies and mitochondrial matrices. We further implemented cysteine-rich tag–antibody fusion proteins as new immuno-EM probes. Thus, our approaches should allow biologists to address a wide range of biological questions at the single-molecule level in cellular ultrastructural contexts. Genetically encoded cysteine-rich tags enable formation of gold nanoparticles in situ for single-molecule imaging of individual proteins in the context of cellular ultrastructure in bacterial, yeast and mammalian cells.
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