MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
■001000017358789
■00520260202104752
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798290653105
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI32151350
■035    ▼a(MiAaPQ)Caltech17289
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a612
■1001  ▼aBi,  Xiaotian.
■24510▼aFunctional  Stimulated  Raman  Imaging  for  Quantitative  Cell  Biology  with  Small  Bioorthogonal  Tags
■260    ▼a[Sl]▼bCalifornia  Institute  of  Technology▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a138  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-01,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Wei,  Lu.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--California  Institute  of  Technology,  2025.
■520    ▼aThe  development  of  imaging  techniques,  particularly  optical  imaging,  has  significantly  advanced  the  field  of  cell  biology.  Compared  to  conventional  fluorescence  imaging,  vibrational  imaging  leverages  the  intrinsic  chemical  bond  information  of  molecules,  providing  multidimensional  insights  into  molecular  structures  and  local  environments.  So  far,  stimulated  Raman  scattering  (SRS)  microscopy  has  emerged  as  a  powerful  tool  for  quantitative  measurements  in  biological  research.  It  overcomes  several  fundamental  limitations  associated  with  fluorescence-based  techniques  and  offers  high  spatial  and  temporal  resolution  along  with  excellent  compatibility  for  live-cell  imaging.In  this  thesis,  I  mainly  focus  on  utilizing  small  bioorthogonal  vibrational  tags  for  quantitative  investigations  in  cell  biology.  These  tags,  such  as  alkyne  and  carbon-deuterium  (C-D)  bonds,  are  absent  in  endogenous  biomolecules  and  smaller  than  1  nm  in  size,  enabling  minimally  perturbative  labeling  with  high  molecular  specificity.  Another  key  advantage  is  that  the  SRS  signal  scales  linearly  with  bond  concentrations,  allowing  for  robust  and  quantitative  analysis.  Moreover,  because  their  vibrational  modes  distinctly  reside  in  the  cellular  silent  region  (1800-2700  cm-1  ),  they  provide  a  high  signal-to-background  ratio,  making  them  particularly  well-suited  for  quantitative  applications  in  complicated  cellular  environments.In  Chapter  2,  we  explored  the  potential  of  alkyne-tagged  probes  to  serve  as  environmentsensitive  vibrational  sensors,  extending  their  utility  beyond  imaging  markers.  We  developed  a  generalizable  sensing  platform  based  on  hydrogen-deuterium  exchange  (HDX)  at  terminal  alkynes.  This  subtle  isotopic  substitution  induces  a  detectable  shift  in  the  alkyne  vibrational  frequency,  allowing  for  real-time  monitoring  of  exchange  kinetics.  These  kinetics,  in  turn,  provide  insight  into  the  chemical  structures  and  local  environments.  We  conducted  a  comprehensive  study  of  the  HDX  processthrough  both  theoretical  analysis  and  experimental  validation.  This  platform  was  further  applied  to  detect  structural  changes  in  DNA  and  to  indicate  pH  within  live  cells,  demonstrating  the  broader  applicability  of  alkyne-tagged  Raman  probes  for  local  environmental  sensing  in  complex  biological  systems.In  Chapter  3,  we  utilized  deuterated  glutamine  to  label  and  study  polyglutamine  (polyQ)  aggregates,  a  pathological  hallmark  of  Huntington's  disease,  in  neurons.  Traditional  imaging  approaches  typically  rely  on  tagging  with  bulky  fluorescent  proteins  such  as  EGFP,  which  can  perturb  aggregation  behavior  with  their  non-negligible  sizes.  Through  deuterium  labeling,  we  achieved  EGFP-free  imaging  of  polyQ  aggregates,  allowing  for  a  more  native  characterization  with  live-cell  compatibility.  This  strategy  facilitated  quantitative  analysis  of  the  aggregate  composition  and  growth  dynamics  of  polyQ  aggregates  in  live  neurons.  Our  results  revealed  significant  variations  in  polyQ  aggregates  depending  on  cell  types,  subcellular  localizations,  aggregate  sizes,  and  protein  constructs.  Notably,  we  identified  a  previously  unknown  type  of  nuclear  aggregates,  shedding  light  on  the  heterogeneity  of  polyQ  pathology.In  Chapter  4,  we  applied  deuterium-labeled  small  molecules  to  study  neuronal  metabolism  and  its  dynamic  interactions  with  neuronal  activity.  As  neuronal  firing  requires  high  and  tightly  regulated  metabolic  input,  it  is  critical  to  understand  the  coupling  between  neuronal  activity  and  metabolism  for  elucidating  brain  function.  Using  deuterated  glucose  and  fatty  acids,  we  were  able  to  track  their  downstream  metabolites  for  metabolism  studies  with  high  spatial  and  temporal  resolution  via  SRS  microscopy.  In  parallel,  we  employed  optogenetic  stimulation  through  Channelrhodopsin  to  achieve  precise  control  of  neuronal  activity  and  also  used  neurotransmitters  for  longer-term  modulation.  By  correlating  different  states  of  neuronal  activation  with  metabolic  flux  changes,  we  gained  valuable  insights  into  how  neuronal  activity  dynamically  regulated  glucose  and  lipid  metabolism,  advancing  our  understanding  of  neuroenergetic  mechanisms  in  live  neurons.Through  these  studies,  I  demonstrate  that  the  integration  between  small  bioorthogonal  vibrational  tags  and  the  advanced  vibrational  imaging  technique,  SRS  microscopy,  can  provide  powerful,  minimally  invasive,  and  highly  quantitative  tools  for  tackling  fundamental  questions  in  cell  biology  with  high  spatial  and  temporal  resolution.
■590    ▼aSchool  code:  0037.
■650  4▼aPhysiology
■650  4▼aCells
■650  4▼aNeurons
■650  4▼aDeep  learning
■650  4▼aInvestigations
■650  4▼aCarbon
■650  4▼aElectric  fields
■650  4▼aChemical  reactions
■650  4▼aMicroscopy
■650  4▼aLabeling
■650  4▼aFatty  acids
■650  4▼aAggregates
■650  4▼aHydrogen
■650  4▼aGlucose
■650  4▼aBiology
■650  4▼aChemical  bonds
■650  4▼aMetabolism
■650  4▼aLipids
■650  4▼aVisualization
■650  4▼aMetabolites
■690    ▼a0306
■690    ▼a0719
■71020▼aCalifornia  Institute  of  Technology▼bChemistry  and  Chemical  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-01B.
■790    ▼a0037
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17358789▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

미리보기

내보내기

chatGPT토론

Ai 추천 관련 도서