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Single-molecule imaging with SPAD array detection

Descrizione del progetto

Promuovere l’imaging a singola molecola

I microscopi ottici convenzionali raggiungono una risoluzione massima di 250 nm, ponendo notevoli limiti agli sforzi di biologia strutturale. L’obiettivo principale del progetto SM-SPAD, finanziato dall’UE, è quello di sviluppare una tecnica di imaging a fluorescenza 3D a molecola singola per visualizzare macromolecole di dimensioni inferiori a 100 nm. L’approccio proposto elude le restrizioni dimensionali attivando stocasticamente singole molecole fluorescenti e determinandone la posizione sul piano dell’immagine. Gli scienziati di SM-SPAD miglioreranno questa tecnica attraverso una combinazione di tecnologie che offrono altissima risoluzione spaziale e temporale perfettamente adatta allo studio di campioni biologici complessi. L’applicazione di questa tecnica nelle neuroscienze consentirà la localizzazione dei grandi complessi proteici responsabili dello sviluppo di malattie neurodegenerative, quali l’Alzheimer e il Parkinson.

Obiettivo

The resolution limit of about 250 nm in conventional optical microscopes is problematic in the study of structural biology, since proteins, macromolecules and nuclear acids are typically much smaller than 100 nm. Single-molecule localization microscopy is able to circumvent this limit by sequentially and stochastically switching on/activating single fluorescent molecules and determining their position in the image plane. E.g. MINFLUX demonstrated a 3D resolution of 6 nm. However, the point-detection system in MINFLUX does not allow directly recording the image of the fluorescent molecules in the image plane, which is required for the localization, thus a rather complex and slow beam-scanning approach is required. Secondly, the technique does not leverage the fluorescence lifetime information, which can provide nanometer-scale information on the structure of interest, e.g. via Förster resonance energy transfer. In this project, both limitations will be tackled:

The main goal of the SM-SPAD project is to develop a 3D single-molecule fluorescence lifetime imaging technique for structural biology. The goal will be reached by combining the concept of MINFLUX with three new ideas: (i) 3D motionless structured illumination and structured detection for improved spatial resolution in all three dimensions; (ii) fluorescence antibunching analysis to speed up the data acquisition by enabling simultaneous localization of several active molecules; (iii) SM level fluorescence lifetime analysis to extract the maximum amount of information from the sample.

The proposed molecular-scale imaging technique, with very high spatial and temporal resolution, is perfectly suited for the study of complex biological samples. SM-SPAD is, in particular, promising in the field of neuroscience research, in which the organization of large protein complexes are of high interest, as they may play a crucial role in the development of neurodegenerative diseases, such as Alzheimer’s and Parkinson’s .

Campo scientifico (EuroSciVoc)

Parole chiave

Programma(i)

Argomento(i)

Meccanismo di finanziamento

MSCA-IF - Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (IF)

Vedi tutti i progetti finanziati nell’ambito di questo schema di finanziamento

Invito a presentare proposte

(si apre in una nuova finestra) H2020-MSCA-IF-2019

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Coordinatore

FONDAZIONE ISTITUTO ITALIANO DI TECNOLOGIA
Contributo netto dell'UE
€ 171 473,28
Costo totale
€ 171 473,28