Project

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Multiphoton confocal microscope for multimodal tissue imaging and fluorescence lifetime measurements

English title Multiphoton confocal microscope for multimodal tissue imaging and fluorescence lifetime measurements
Applicant Gonzalez-Gaitan Marcos
Number 183529
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Département de Biochimie Faculté des Sciences II Université de Genève
Institution of higher education University of Geneva - GE
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.02.2020 - 31.01.2021
Approved amount 525'000.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Molecular Biology
Cellular Biology, Cytology
Biophysics
Biochemistry

Keywords (5)

multiphoton microscopy; spectral fluorescenc detection; SHG (second harmonic generation); FLIM (fluorescenc lifetime imaging); temperature sensing

Lay Summary (German)

Lead
Mikoskope sind ein wertvolles Hifsmittel, um biologische Prozesse zu untersuchen und besser verstehen zu können. Durch Markierungen mit fluoreszierenden Markern können einzelne Kompartimente oder Proteine einer Zelle markiert und in ihrer Dynamik beobachtet werden. Bei Markierung mehrer Zielproteine können auch deren Interaktionen beobachtet werden. Besonders detailliert geht dies, wenn ein Energie-Transfer zwischen den Fluoreszen-Molekülen stattfindet. Diese FRET («Fluorescence Resonance Energy Transfer») gennante Methode kann dadurch molekulare Interaktionen in hoher Auflösung messen.Das konfokale Multiphotonen-Mikroskop, das für die Universität Genf angeschafft werden wird, soll uns mit Hilfe FRET-gestützter Messungen neue Erkenntnisse der in lebenden Zellen und Organismen ablaufenden chemischen und physikalischen Prozesse ermöglichen.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

In kultivierten Zellen wird FRET schon seit einigen Jahren erfolgreich angewendet. Viele biologische Prozesse laufen jedoch in solch kultivierten Zellen anders ab als sie es in Zellen tun, die in ihrem natürlichen Gewebeverband verbleiben. Es ist daher von grossem Interesse auch mehrschichtige Gewebe mikroskopisch untersuchen zu können.  Hier kommt die multiphotonen-Kapazität des geplanten Mikroskops zum Tragen. Bei dieser Technik werden sehr viel langwelligere Laser verwendet und die Fluorochrome werden mit einer verdoppelten Wellenlänge angeregt. Um dies zu erreichen werden spezielle hochenergetische, gebündelt Laserstrahlen verwendet. Ein Vorteil ist, dass diese Laser sehr viel effizienter in tiefere Gewebeschichten eindrigen. Weiterhin kann die Anregungsebene innerhalb des Gewebes genauer kontrolliert werden, was wiederum eine effizientere Detektion erlaubt.

Neben der Fluoreszenzmarkierung gibt es zusätzlich die Möglichkeit, dass bestimmte hochgeordnete Strukturen wie zum Beispiel Kollagen die Wellenlänge des eingestrahlten Laserlichts verändern.  Auch diese, «second harmonic generation» genannten Signale können mit dem geplanten Mikroskop aufgefangen werden. Dies kann unter anderem dazu genutzt werden, biophysikalische Eigenschaften von Zellkompartimenten sichtbar zu machen.

Unser Plan ist es, mit Hilfe des neuen Mikroskops Kenntnisse über in Zellen und Geweben ablaufende chemische und physikalische Prozesse zu Gewinnen.  Wir wollen dazu Interaktionen von markierten Komponenten visulaisieren und diese mit der umgebenden Zell- und Gewebearchitektur korrelieren. Speziell wird es uns dabei möglich sein, dies in mehrschichtigen Geweben und Organ-Anlagen durchführen zu können.

Wir hoffen, dass uns das neue Mikroskop dadurch grundlegende Einblicke in Entwicklung und Morphogenese von Organen und Organismen ermöglichen wird.

Stichworte

Mikroskopie in biologischen Geweben, molekulare Interaktionen, Messung von biophysikalischen Zelleigenschaften


Direct link to Lay Summary Last update: 22.11.2018

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
Optochemical Control of Therapeutic Agents through Photocatalyzed Isomerization
Winssinger Nicolas, Watson Emma E., Russo Francesco, Moreau Dimitri (2022), Optochemical Control of Therapeutic Agents through Photocatalyzed Isomerization, in Angewandte Chemie International Edition, 1(1), 1-1.
Multiorder Nonlinear Mixing in Metal Oxide Nanoparticles
Campargue Gabriel, La Volpe Luca, Giardina Gabriel, Gaulier Geoffrey, Lucarini Fiorella, Gautschi Ivan, Le Dantec Ronan, Staedler Davide, Diviani Dario, Mugnier Yannick, Wolf Jean-Pierre, Bonacina Luigi (2020), Multiorder Nonlinear Mixing in Metal Oxide Nanoparticles, in Nano Letters, 20(12), 8725-8732.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
NCCR chemical biology: NCCR 2021 e-poster session Poster Using mechanosensitive fluorescent probes to label the MCV (Mycobacterium Containing Vacuole) and to monitor the membrane tension during infection 05.02.2021 online, Switzerland Matile Stefan; Gonzalez-Gaitan Marcos;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media May 2021 “sharpest science shots” by Nature Nature Magazine International 2021
Other activities Dies academicus 2020 of the University of Geneva Western Switzerland 2020

Awards

Title Year
Best image for Europe, the Middle East and Africa (the two other regions are Asia-Pacific and the Americas) at the Olympus Global Image of the Year Light Microscopy Award: https://www.olympus-lifescience.com/en/landing/ioty-2020/ 2020

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162743 EvoDevo and Physics of Skin Colours 01.03.2016 Interdisciplinary projects
166575 Genome protection by germline small RNAs 01.06.2016 Project funding (Div. I-III)
175774 Perception and signalling of UV-B radiation in plants 01.07.2018 Project funding (Div. I-III)
166441 Molecular and Physical Basis of Asymmetric Targeting of Endosomes During Asymmetric Division 01.05.2016 Project funding (Div. I-III)
175486 Synthetic Biosupramolecular Systems at Work 01.10.2017 Project funding (Div. I-III)
169930 Cellular and Developmental Plasticity in Regenerating and Aging Hydra 01.11.2016 Project funding (Div. I-III)
170114 Sick conspecific avoidance - molecules, vomeronasal receptors and neural circuits 01.01.2017 Project funding (Div. I-III)
179159 Directional cell-to-cell transport of nutrients in roots 01.04.2018 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Biology is governed by physical and chemical principles. To approach these principles analysis of living cells has been of key importance. But many such principles can only be understood if we go away from the traditional cell culture systems and study cells within their natural setting namely within tissues and organisms. Only in their native three-dimensional environment cells exhibit their natural behavior allowing the analysis of cell differentiation and morphogenesis and bring measurements of physical properties like temperature, stiffness, tension and viscosity to new and much higher level of significance.One of the most powerful tools for the three-dimensional microscopical analysis of cells within their tissue environment is multiphoton confocal laser scanning microscopy (multiphoton CLSM). Multiphoton CLSM is based on the simultaneous absorption of more than one near-infrared (NIR) photon of light by a single fluorophore molecule. Excitation is restricted to the highly photon dense laser focal plane allowing for direct (non-descanned) detection without the need of a pinhole.This makes multiphoton CLSM very light efficient reducing phototoxicity which is of crucial importance for live imaging approaches. Additionally, the application of NIR-excitation wavelengths reduces the problem of light scattering, which is inversely proportional to the fourth power of the wavelength, thus allowing deeper and more efficient penetration into biological materials like living tissue samples, embryos or small organisms. A new generation multiphoton CLSM systems from Leica (SP8 DIVE) offers now total spectral flexibility of detection. This makes the multiphoton approach even more potent as it allows to a) easily adapt to new fluorescent probes and b) efficiently detect second- and third-harmonic generation (SHG and THG) signals obtainable from ordered proteins (for example collagen) or lipids. Additionally, this instrument offers to combine multiphoton microscopy with fluorescence lifetime (FLIM) measurements. FLIM is a unique tool for the visualization of molecular interactions and for measuring biophysical cell properties like membrane tension, calcium or oxygen concentrations, and detection of local viscosity.In this application, we request the acquisition of a SP8 DIVE multiphoton CLSM to perform multiphoton imaging on animal and plant tissue to understand the physics of cell differentiation and morphogenesis. We expect that the new instrument with its capacity for multimodal imaging (combining fluorescence with FLIM and second- /third-harmonic detection) will give us a very effective and powerful tool for studying multi-cellularity.
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