Abstract

The macromolecular structure of purified cellulose samples is studied by second-harmonic generation (SHG) imaging microscopy. We show that the SHG contrast in both Valonia and Acetobacter cellulose strongly resembles that of collagen from animal tissues, both in terms of morphology and polarization anisotropy. Polarization analysis shows that microfibrils in each lamella are highly aligned and ordered and change directions by 90° in adjacent lamellae. The angular dependence of the SHG intensity fits well to a cos2 θ distribution, which is characteristic of the electric dipole interaction. Enzymatic degradation of Valonia fibers by cellulase is followed in real time by SHG imaging and results in exponential decay kinetics, showing that SHG imaging microscopy is ideal for monitoring dynamics in biological systems.

© 2003 Optical Society of America

PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. Inoue, Video Microscopy (Plenum, New York, 1986).
  2. P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).
  3. J. R. M. Brown, Pure Appl. Chem. 10, 1345 (1996).
  4. T. Kondo, E. Togawa, and J. R. M. Brown, Biomacromolecules 2, 1324 (2001).
  5. S. K. Cousins and J. R. M. Brown, Polymer 38, 897 (1997).
  6. P. J. Campagnola, M. D. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (2000).
  7. J. D. Beyers, H. I. Lee, T. Petralli-Mallow, and J. M. Hicks, Phys. Rev. B 49, 1464 (1994).
  8. T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).
  9. K. Beck and B. Brodsky, J. Struct. Biol. 122, 17 (1998).
  10. V. Ottani, M. Raspanti, and A. Ruggeri, Micron 32, 251 (2001).
  11. A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 11014 (2002).
  12. K. Kudlicka, J. H. Lee, and J. R. M. Brown, Am. J. Bot. 83, 274 (1996).

2002 (2)

P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 11014 (2002).

2001 (2)

V. Ottani, M. Raspanti, and A. Ruggeri, Micron 32, 251 (2001).

T. Kondo, E. Togawa, and J. R. M. Brown, Biomacromolecules 2, 1324 (2001).

2000 (1)

P. J. Campagnola, M. D. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (2000).

1998 (2)

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

K. Beck and B. Brodsky, J. Struct. Biol. 122, 17 (1998).

1997 (1)

S. K. Cousins and J. R. M. Brown, Polymer 38, 897 (1997).

1996 (2)

J. R. M. Brown, Pure Appl. Chem. 10, 1345 (1996).

K. Kudlicka, J. H. Lee, and J. R. M. Brown, Am. J. Bot. 83, 274 (1996).

1994 (1)

J. D. Beyers, H. I. Lee, T. Petralli-Mallow, and J. M. Hicks, Phys. Rev. B 49, 1464 (1994).

1986 (1)

S. Inoue, Video Microscopy (Plenum, New York, 1986).

Beck, K.

K. Beck and B. Brodsky, J. Struct. Biol. 122, 17 (1998).

Beyers, J. D.

J. D. Beyers, H. I. Lee, T. Petralli-Mallow, and J. M. Hicks, Phys. Rev. B 49, 1464 (1994).

Brodsky, B.

K. Beck and B. Brodsky, J. Struct. Biol. 122, 17 (1998).

Brown, J. R. M.

T. Kondo, E. Togawa, and J. R. M. Brown, Biomacromolecules 2, 1324 (2001).

S. K. Cousins and J. R. M. Brown, Polymer 38, 897 (1997).

J. R. M. Brown, Pure Appl. Chem. 10, 1345 (1996).

K. Kudlicka, J. H. Lee, and J. R. M. Brown, Am. J. Bot. 83, 274 (1996).

Campagnola, P. J.

P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).

P. J. Campagnola, M. D. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (2000).

Cousins, S. K.

S. K. Cousins and J. R. M. Brown, Polymer 38, 897 (1997).

Elshocht, S. V.

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Hellemans, L.

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Hicks, J. M.

J. D. Beyers, H. I. Lee, T. Petralli-Mallow, and J. M. Hicks, Phys. Rev. B 49, 1464 (1994).

Hoppe, P. E.

P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).

Inoue, S.

S. Inoue, Video Microscopy (Plenum, New York, 1986).

Katz, T. J.

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Kauranen, M.

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Kondo, T.

T. Kondo, E. Togawa, and J. R. M. Brown, Biomacromolecules 2, 1324 (2001).

Kudlicka, K.

K. Kudlicka, J. H. Lee, and J. R. M. Brown, Am. J. Bot. 83, 274 (1996).

Lee, H. I.

J. D. Beyers, H. I. Lee, T. Petralli-Mallow, and J. M. Hicks, Phys. Rev. B 49, 1464 (1994).

Lee, J. H.

K. Kudlicka, J. H. Lee, and J. R. M. Brown, Am. J. Bot. 83, 274 (1996).

Lewis, A.

P. J. Campagnola, M. D. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (2000).

Loew, L. M.

P. J. Campagnola, M. D. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (2000).

Malone, C. J.

P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).

Millard, A. C.

P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).

Mohler, W. A.

P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).

Nuckolls, C.

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Ottani, V.

V. Ottani, M. Raspanti, and A. Ruggeri, Micron 32, 251 (2001).

Persoons, A.

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Petralli-Mallow, T.

J. D. Beyers, H. I. Lee, T. Petralli-Mallow, and J. M. Hicks, Phys. Rev. B 49, 1464 (1994).

Raspanti, M.

V. Ottani, M. Raspanti, and A. Ruggeri, Micron 32, 251 (2001).

Ruggeri, A.

V. Ottani, M. Raspanti, and A. Ruggeri, Micron 32, 251 (2001).

Snauwaert, J.

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Terasaki, M.

P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).

Togawa, E.

T. Kondo, E. Togawa, and J. R. M. Brown, Biomacromolecules 2, 1324 (2001).

Tromberg, B. J.

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 11014 (2002).

Verbiest, T.

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Wei, M. D.

P. J. Campagnola, M. D. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (2000).

Yeh, A.

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 11014 (2002).

Zoumi, A.

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 11014 (2002).

Am. J. Bot. (1)

K. Kudlicka, J. H. Lee, and J. R. M. Brown, Am. J. Bot. 83, 274 (1996).

Biomacromolecules (1)

T. Kondo, E. Togawa, and J. R. M. Brown, Biomacromolecules 2, 1324 (2001).

Biophys. J. (2)

P. J. Campagnola, A. C. Millard, M. Terasaki, P. E. Hoppe, C. J. Malone, and W. A. Mohler, Biophys. J. 82, 493 (2002).

P. J. Campagnola, M. D. Wei, A. Lewis, and L. M. Loew, Biophys. J. 77, 3341 (2000).

J. Struct. Biol. (1)

K. Beck and B. Brodsky, J. Struct. Biol. 122, 17 (1998).

Micron (1)

V. Ottani, M. Raspanti, and A. Ruggeri, Micron 32, 251 (2001).

Phys. Rev. B (1)

J. D. Beyers, H. I. Lee, T. Petralli-Mallow, and J. M. Hicks, Phys. Rev. B 49, 1464 (1994).

Polymer (1)

S. K. Cousins and J. R. M. Brown, Polymer 38, 897 (1997).

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (1)

A. Zoumi, A. Yeh, and B. J. Tromberg, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 11014 (2002).

Pure Appl. Chem. (1)

J. R. M. Brown, Pure Appl. Chem. 10, 1345 (1996).

Science (1)

T. Verbiest, S. V. Elshocht, M. Kauranen, L. Hellemans, J. Snauwaert, C. Nuckolls, T. J. Katz, and A. Persoons, Science 282, 913 (1998).

Other (1)

S. Inoue, Video Microscopy (Plenum, New York, 1986).

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.


Metrics