A general method to improve fluorophores for live-cell and single-molecule microscopy

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作者
Jonathan B. Grimm,Brian P. English,Jiji Chen,Joel P Slaughter,Zhengjian Zhang,Andrey Revyakin,Ronak Patel,J. J. Macklin,Davide Normanno,Robert H. Singer,Timothée Lionnet,Luke D. Lavis
出处
期刊:Nature Methods [Nature Portfolio]
卷期号:12 (3): 244-250 被引量:1656
标识
DOI:10.1038/nmeth.3256
摘要

A simple and general chemical structure change to a panel of cell-permeable small-molecule fluorophores increases their brightness and photostability, which will enable improved single-molecule studies and super-resolution imaging. Specific labeling of biomolecules with bright fluorophores is the keystone of fluorescence microscopy. Genetically encoded self-labeling tag proteins can be coupled to synthetic dyes inside living cells, resulting in brighter reporters than fluorescent proteins. Intracellular labeling using these techniques requires cell-permeable fluorescent ligands, however, limiting utility to a small number of classic fluorophores. Here we describe a simple structural modification that improves the brightness and photostability of dyes while preserving spectral properties and cell permeability. Inspired by molecular modeling, we replaced the N,N-dimethylamino substituents in tetramethylrhodamine with four-membered azetidine rings. This addition of two carbon atoms doubles the quantum efficiency and improves the photon yield of the dye in applications ranging from in vitro single-molecule measurements to super-resolution imaging. The novel substitution is generalizable, yielding a palette of chemical dyes with improved quantum efficiencies that spans the UV and visible range.
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