Development of simultaneous ultra-fast 3D super resolution imaging and 3D single molecule tracking microscope system

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K15058
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University
• Principal Investigator: Tsunoyama Takaaki 沖縄科学技術大学院大学, 膜協同性ユニット, スタッフサイエンティスト (90896862)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 超解像顕微鏡法 / 3次元観察 / １分子蛍光追跡法 / 細胞膜 / 神経シナプス / 細胞膜受容体

Outline of Final Research Achievements

It is a well-known theory that synaptic receptors are stably present (or anchored) on synapses. However, our recent findings suggest that receptors actually undergo frequent entering and departure movements, indicating a dynamic structure. In this study, we aimed to verify this hypothesis by developing a novel microscope system that simultaneously performs ultrafast 3D super-resolution observation and ultrafast 3D single-molecule fluorescence tracking.
We developed a novel microscope system characterized by high-speed Z-scanning using a liquid lens, enabling observations with a Z-directional resolution range of 2μm, which is more than twice the ordinary range, at a high speed of 250 Hz. Using this system, we were able to track the movement of receptors in and out of 3D super-resolved synapses in three dimensions.

Free Research Field

生物物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

超解像顕微鏡法や１分子蛍光観察法は今では広く用いられているが、3次元での観察となると応用例は少なく、ほとんどは固定細胞を用いたものである。特に神経細胞は複雑な3次元構造をもっており、３次元での生細胞を用いた動態の観察が重要であると考えられるが、限られた知見しか得られていない。
本研究で開発した液体レンズを用いる3次元顕微鏡システムはこの限界を打ち破るものであり、比較的安価に導入が可能で、その性能と安定性も十分なものであると証明ができた。このシステムは様々な観察系に導入することが可能で、３次元の高速観察、というニッチを補完するものであると確信している。