Polarized super-resolution fluorescence microscopy
Authors:   , Valadés Cruz César Augusto 
Published: October 2023

While super-resolution microscopy has brought a significant improvement in nano-scale imaging of molecular assemblies in biological media, its extension to imaging molecular orientation using fluorescence anisotropy has not yet been fully explored. Providing orientational order information at the nano-scale would be of considerable interest for the understanding of biological functions since they are intrinsically related to structural fundamental processes such as in protein clustering in cell membranes, supra-molecular polymerization or aggregation. In this thesis, we propose a super-resolution polarization-resolved microscopy technique able to image molecular orientation behaviors in static and dynamic environments, in order to report structural information at the single molecule level and at nanometric spatial scale. Using direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (dSTORM) in combination with polarized detection, fluorescence anisotropy images are reconstructed at a spatial resolution of a few tens of nanometers. We analyze numerically the principle of the method in combination with models for orientational order mechanisms, and provide conditions for which this information can be retrieved with high precision in biological samples based on fibrillar structures. Finally, we propose an alternative technique based on stochastic fluctuations of single molecules: polarized super-resolution optical fluctuation imaging (polar-SOFI), and compare this approach with the previous one in terms of information gained and spatial resolution. We illustrate both techniques on molecular order imaging in actin stress fibers and tubulin fibers in fixed cells, DNA fibers and insulin amyloid fibrils.

La microscopía de súper resolución ha aportado una mejora significativa en la imagen, a escala nanométrica, de ensambles moleculares en medios biológicos. Sin embargo, su extensión, mediante la utilización de la anisotropía de fluorescencia para la obtención de imágenes de orientación molecular, aún no ha sido explorada a fondo. El proporcionar información sobre la orientación molecular a escala nanométrica es de gran interés para la comprensión de las funciones biológicas. Esta información está intrínsecamente relacionada con la estructura de los ensamblajes de proteínas en las membranas celulares, la polimerización y la agregación supra molecular, entre otros. En esta tesis, proponemos una técnica de microscopía de luz polarizada de súper resolución, la cual permite visualizar el comportamiento de la orientación molecular en ambientes dinámicos y estáticos. El objetivo final es el de poder reportar información estructural a nivel de molécula única y escala espacial nanométrica. Utilizando microscopía de reconstrucción óptica estocástica (dSTORM) en combinación con detección polarizada, las imágenes de anisotropía de fluorescencia son reconstruidas con una resolución espacial de varias decenas de nanómetros. Además, el principio del método ha sido validado numéricamente en combinación con modelos de mecanismos de orientación molecular y delimitando las condiciones en que esta información se puede obtener con una precisión alta en muestras biológicas, principalmente en estructuras fibrilares. Así también, se propone una técnica alternativa basada en la emisión de fluctuaciones estocásticas de moléculas individuales: imagen de polarización con súper resolución de fluctuaciones (polar-SOFI). Además comparamos esta técnica con la anterior, en términos de la información obtenida y la resolución espacial. Finalmente, ilustramos ambas técnicas para la obtención de imágenes del orden molecular de fibras de estrés de actina y tubulina en células fijas, fibras de ADN y fibrillas de insulina amiloide.

Alors que la microscopie super-résolue a apporté une amélioration considérable en imagerie des assemblages moléculaires dans les milieux biologiques à l'échelle nanométrique, son extension à l'imagerie de l'orientation moléculaire, utilisant l'anisotropie de fluorescence, n'a pas encore été complètement explorée.
Apporter une information sur l'orientation moléculaire à l'échelle nanométrique aurait un intérêt considérable pour la compréhension des functions biologiques, puisque celles-ci sont fortement reliée à la structure des assemblages de prot éines dans les membranes cellulaires, la polymérisation ou l'aggrégation supramol éculaire par exemple. Dans cette thèse, nous proposons une technique de microscopie super-résolution résolue en polarisation, capable d'imager les comportements d'orientation moléculaire dans des environnements statiques et dynamiques, dans le but de rapporter une information structurale à l'échelle de la molécule unique et à des échelles spatiales nanométriques. En utilisant la microscopie
par reconstruction stochastique (dSTORM) en combinaison avec une détection polarisée, des images d'anisotropie de fluorescence sont reconstruites avec une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètres. Nous analysons numériquement le principe de la méthode en combinaison avec des modèles des mécanismes d'orientation moléculaire, et donnons les conditions auxquelles cette information peut être obtenue avec une grande précision dans des échantillons biologiques basés sur des structures fibrillaires. Enfin, nous proposons une
technique alternative basée sur l'émission de molécules uniques en fluctuations stochastiques: l'imagerie super-résolue polarisée par fluctuations (polar-SOFI), et comparons cette approche avec la précédente en terme d'information gagnée et de résolution spatiale. Nous illustrons les deux techniques pour l'imagerie de l'ordre moléculaire dans des fibres de stress d'actin et de tubuline dans des cellules fixées, des fibres d'ADN et des fibrilles d'amyloid à base d'insuline.