Abstract

We demonstrate the use of multiphoton-excited photochemistry to cross-link three-dimensional matrices directly from cytoplasmic proteins in a live cell (starfish oocyte). Fluorescence recovery after photobleaching measurements were used to determine diffusion coefficients inside intracellular cross-linked structures, and it was found that the diffusion was approximately 3 to 4 orders of magnitude slower than in free solution and 2–3 orders of magnitude slower than in cytoplasm and that the value can be tuned by controlling the laser exposure. Complex structures can be fabricated to construct channels and compartments that could be used to isolate cellular processes, and the method should thus be applicable to a broad range of problems in cell biology.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. H. Strickler and W. W. Webb, Opt. Lett. 16, 1780 (1991).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. C. E. Olson, M. J. Previte, and J. T. Fourkas, Nature Mater. 1, 225 (2002).
    [CrossRef]
  3. W. Lee, S. A. Pruzinsky, and P. V. Braun, Adv. Mater. 14, 271 (2002).
    [CrossRef]
  4. B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
    [CrossRef]
  5. S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature 412, 697 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. J. D. Pitts, P. J. Campagnola, G. A. Epling, and S. L. Goodman, Macromolecules 33, 1514 (2000).
    [CrossRef]
  8. S. Basu and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 572 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. M. Sridhar, S. Basu, V. L. Scranton, and P. J. Campagnola, Rev. Sci. Instrum. 74, 3474 (2003).
    [CrossRef]
  10. E. B. Brown, E. S. Wu, W. Zipfel, and W. W. Webb, Biophys. J. 77, 2837 (1999).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. S. Basu, C. W. Wolgemuth, and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 2347 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
    [CrossRef]
  13. M. Saxton, Biophys. J. 66, 394 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]

2004 (2)

S. Basu and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 572 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

S. Basu, C. W. Wolgemuth, and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 2347 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

2003 (2)

P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
[CrossRef]

M. Sridhar, S. Basu, V. L. Scranton, and P. J. Campagnola, Rev. Sci. Instrum. 74, 3474 (2003).
[CrossRef]

2002 (3)

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

C. E. Olson, M. J. Previte, and J. T. Fourkas, Nature Mater. 1, 225 (2002).
[CrossRef]

W. Lee, S. A. Pruzinsky, and P. V. Braun, Adv. Mater. 14, 271 (2002).
[CrossRef]

2001 (1)

S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature 412, 697 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

2000 (1)

J. D. Pitts, P. J. Campagnola, G. A. Epling, and S. L. Goodman, Macromolecules 33, 1514 (2000).
[CrossRef]

1999 (2)

E. B. Brown, E. S. Wu, W. Zipfel, and W. W. Webb, Biophys. J. 77, 2837 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

1994 (1)

M. Saxton, Biophys. J. 66, 394 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

1991 (1)

Ananthavel, S. P.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Barlow, S.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Basu, S.

S. Basu and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 572 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

S. Basu, C. W. Wolgemuth, and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 2347 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

M. Sridhar, S. Basu, V. L. Scranton, and P. J. Campagnola, Rev. Sci. Instrum. 74, 3474 (2003).
[CrossRef]

Braun, K. L.

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Braun, P. V.

W. Lee, S. A. Pruzinsky, and P. V. Braun, Adv. Mater. 14, 271 (2002).
[CrossRef]

Brown, E. B.

E. B. Brown, E. S. Wu, W. Zipfel, and W. W. Webb, Biophys. J. 77, 2837 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Cammack, J. K.

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Campagnola, P. J.

S. Basu and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 572 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

S. Basu, C. W. Wolgemuth, and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 2347 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

M. Sridhar, S. Basu, V. L. Scranton, and P. J. Campagnola, Rev. Sci. Instrum. 74, 3474 (2003).
[CrossRef]

J. D. Pitts, P. J. Campagnola, G. A. Epling, and S. L. Goodman, Macromolecules 33, 1514 (2000).
[CrossRef]

Cumpston, B. H.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Daigle, N.

P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
[CrossRef]

Dyer, D. L.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Ehrlich, J. E.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Ellenberg, J.

P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
[CrossRef]

Epling, G. A.

J. D. Pitts, P. J. Campagnola, G. A. Epling, and S. L. Goodman, Macromolecules 33, 1514 (2000).
[CrossRef]

Erskine, L. L.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Fourkas, J. T.

C. E. Olson, M. J. Previte, and J. T. Fourkas, Nature Mater. 1, 225 (2002).
[CrossRef]

Goodman, S. L.

J. D. Pitts, P. J. Campagnola, G. A. Epling, and S. L. Goodman, Macromolecules 33, 1514 (2000).
[CrossRef]

Hand, A. R.

P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
[CrossRef]

Heikal, A. A.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Kawata, S.

S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature 412, 697 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Kuebler, S. M.

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Lee, I.-Y. S.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Lee, W.

W. Lee, S. A. Pruzinsky, and P. V. Braun, Adv. Mater. 14, 271 (2002).
[CrossRef]

Lenart, P.

P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
[CrossRef]

Marder, S. R.

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

McCord-Maughon, D.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Ober, C. K.

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Olson, C. E.

C. E. Olson, M. J. Previte, and J. T. Fourkas, Nature Mater. 1, 225 (2002).
[CrossRef]

Perry, J. W.

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Pitts, J. D.

J. D. Pitts, P. J. Campagnola, G. A. Epling, and S. L. Goodman, Macromolecules 33, 1514 (2000).
[CrossRef]

Previte, M. J.

C. E. Olson, M. J. Previte, and J. T. Fourkas, Nature Mater. 1, 225 (2002).
[CrossRef]

Pruzinsky, S. A.

W. Lee, S. A. Pruzinsky, and P. V. Braun, Adv. Mater. 14, 271 (2002).
[CrossRef]

Qin, J.

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

Rabut, G.

P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
[CrossRef]

Saxton, M.

M. Saxton, Biophys. J. 66, 394 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Scranton, V. L.

M. Sridhar, S. Basu, V. L. Scranton, and P. J. Campagnola, Rev. Sci. Instrum. 74, 3474 (2003).
[CrossRef]

Sridhar, M.

M. Sridhar, S. Basu, V. L. Scranton, and P. J. Campagnola, Rev. Sci. Instrum. 74, 3474 (2003).
[CrossRef]

Strickler, J. H.

Sun, H.-B.

S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature 412, 697 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Takada, K.

S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature 412, 697 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Tanaka, T.

S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature 412, 697 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Terasaki, M.

P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
[CrossRef]

Webb, W. W.

E. B. Brown, E. S. Wu, W. Zipfel, and W. W. Webb, Biophys. J. 77, 2837 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

J. H. Strickler and W. W. Webb, Opt. Lett. 16, 1780 (1991).
[CrossRef] [PubMed]

Wolgemuth, C. W.

S. Basu, C. W. Wolgemuth, and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 2347 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Wu, E. S.

E. B. Brown, E. S. Wu, W. Zipfel, and W. W. Webb, Biophys. J. 77, 2837 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Yu, T.

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Zhou, W.

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Zipfel, W.

E. B. Brown, E. S. Wu, W. Zipfel, and W. W. Webb, Biophys. J. 77, 2837 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Adv. Mater. (1)

W. Lee, S. A. Pruzinsky, and P. V. Braun, Adv. Mater. 14, 271 (2002).
[CrossRef]

Biomacromolecules (2)

S. Basu and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 572 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

S. Basu, C. W. Wolgemuth, and P. J. Campagnola, Biomacromolecules 5, 2347 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Biophys. J. (2)

E. B. Brown, E. S. Wu, W. Zipfel, and W. W. Webb, Biophys. J. 77, 2837 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

M. Saxton, Biophys. J. 66, 394 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

J. Cell Biol. (1)

P. Lenart, G. Rabut, N. Daigle, A. R. Hand, M. Terasaki, and J. Ellenberg, J. Cell Biol. 160, 1055 (2003).
[CrossRef]

Macromolecules (1)

J. D. Pitts, P. J. Campagnola, G. A. Epling, and S. L. Goodman, Macromolecules 33, 1514 (2000).
[CrossRef]

Nature (2)

B. H. Cumpston, S. P. Ananthavel, S. Barlow, D. L. Dyer, J. E. Ehrlich, L. L. Erskine, A. A. Heikal, S. M. Kuebler, I.-Y. S. Lee, D. McCord-Maughon, J. Qin, S. R. Marder, and J. W. Perry, Nature 398, 51 (1999).
[CrossRef]

S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature 412, 697 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Nature Mater. (1)

C. E. Olson, M. J. Previte, and J. T. Fourkas, Nature Mater. 1, 225 (2002).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Rev. Sci. Instrum. (1)

M. Sridhar, S. Basu, V. L. Scranton, and P. J. Campagnola, Rev. Sci. Instrum. 74, 3474 (2003).
[CrossRef]

Science (1)

W. Zhou, S. M. Kuebler, K. L. Braun, T. Yu, J. K. Cammack, C. K. Ober, J. W. Perry, and S. R. Marder, Science 296, 1106 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Two-photon-excited fluorescence image of a multiphoton-excitation-fabricated matrix in live starfish oocytes. The scale bar is 40 µm.

Fig. 2
Fig. 2

Fluorescence recovery curves for 40 µm×26 µm×5 µm multiphoton-excitation-fabricated matrices in starfish oocytes obtained using an integrated laser flux of (a) 60 and (b) 100 µJ/pixel.

Fig. 3
Fig. 3

Two-photon-excited fluorescence image of two steps [(a) and (b)] in the MPE fabrication of boxlike compartment in starfish oocytes (outlined for clarity). The scale bar is 70 µm. (c) Enlarged perspective representation of the structure, indicating the open interior area.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

F=Fmax-Fmax-F0exp-t/τD.
D=ω2/8τD,

Metrics