Branching Out of Single‐Molecule Fluorescence Spectroscopy: Challenges for Chemistry and Influence on Biology
10.1002/anie.200300647
Crossref journal-article
Wiley
Angewandte Chemie International Edition (311)
Abstract

AbstractIn the last decade emerging single‐molecule fluorescence‐spectroscopy tools have been developed and adapted to analyze individual molecules under various conditions. Single‐molecule‐sensitive optical techniques are now well established and help to increase our understanding of complex problems in different disciplines ranging from materials science to cell biology. Previous dreams, such as the monitoring of the motility and structural changes of single motor proteins in living cells or the detection of single‐copy genes and the determination of their distance from polymerase molecules in transcription factories in the nucleus of a living cell, no longer constitute unsolvable problems. In this Review we demonstrate that single‐molecule fluorescence spectroscopy has become an independent discipline capable of solving problems in molecular biology. We outline the challenges and future prospects for optical single‐molecule techniques which can be used in combination with smart labeling strategies to yield quantitative three‐dimensional information about the dynamic organization of living cells.

Bibliography

Tinnefeld, P., & Sauer, M. (2005). Branching Out of Single‐Molecule Fluorescence Spectroscopy: Challenges for Chemistry and Influence on Biology. Angewandte Chemie International Edition, 44(18), 2642–2671. Portico.

Authors 2
  1. Philip Tinnefeld (first)
  2. Markus Sauer (additional)
References 343 Referenced 224
  1. 10.1103/RevModPhys.59.615
  2. 10.1103/PhysRevLett.56.930
  3. 10.1038/nature01060
  4. 10.1126/science.1085399
  5. 10.1021/ja034040p
  6. 10.1126/science.1079700
  7. 10.1073/pnas.0230489100
  8. 10.1080/07391102.1989.10507773
  9. 10.1016/S0168-1656(00)00413-2
  10. 10.1002/1361-6374(199709)5:3<139::AID-BIO8>3.0.CO;2-#
  11. 10.1016/S0168-1656(03)00006-3
  12. 10.1002/ange.19931050406
  13. 10.1002/anie.199304573
  14. 10.1021/ar950246m
  15. 10.1146/annurev.biophys.26.1.567
  16. 10.1146/annurev.physchem.49.1.441
  17. 10.1021/cr980132z
  18. 10.1126/science.283.5408.1670
  19. 10.1007/s002160051568
  20. 10.1146/annurev.physchem.52.1.233
  21. 10.1021/jp012992g
  22. 10.1063/1.1521157
  23. 10.1063/1.1521152
  24. 10.1063/1.1521158
  25. 10.1063/1.1521150
  26. 10.1063/1.1521159
  27. 10.1021/ac022035i
  28. 10.1002/1438-5171(200211)3:5/6<267::AID-SIMO267>3.0.CO;2-X
  29. 10.1002/cphc.200200565
  30. 10.1063/1.1589587
  31. 10.1002/andp.19484370105
  32. 10.1103/PhysRevLett.62.2535
  33. 10.1016/0009-2614(90)85485-U
  34. 10.1021/ac00290a057
  35. 10.1126/science.262.5138.1422
  36. 10.1126/science.265.5170.364
  37. 10.1016/S0304-3991(97)00075-2
  38. 10.1242/jcs.114.23.4153
  39. 10.1063/1.1634385
  40. 10.1083/jcb.200306112
  41. 10.1007/978-1-4757-5348-6_2
  42. {'key': 'e_1_2_13_41_2', 'first-page': '239', 'author': 'Rigler R.', 'year': '1992', 'journal-title': 'Proc. SPIE‐Int. Soc. Opt. Eng. Proc. SPIE'} / Proc. SPIE‐Int. Soc. Opt. Eng. Proc. SPIE by Rigler R. (1992)
  43. 10.1007/BF00185777
  44. 10.1073/pnas.93.20.10763
  45. 10.1364/OL.20.002532
  46. 10.1021/jp963729w
  47. 10.1126/science.2321027
  48. 10.1364/AO.34.001989
  49. 10.1364/JOSAB.13.000481
  50. 10.1016/S0006-3495(02)73935-0
  51. 10.1073/pnas.91.13.5740
  52. 10.1073/pnas.94.22.11753
  53. 10.1016/S0006-3495(99)76912-2
  54. 10.1073/pnas.96.24.13756
  55. 10.1016/S0006-3495(00)76722-1
  56. 10.1016/S0006-3495(00)76523-4
  57. 10.1021/jp036499b
  58. 10.1002/tcr.3
  59. 10.1038/nature01083
  60. 10.1016/S0091-679X(08)60982-6
  61. 10.1002/(SICI)1097-0320(19990701)36:3<224::AID-CYTO12>3.0.CO;2-J
  62. 10.1038/374555a0
  63. 10.1006/bbrc.1997.6732
  64. 10.1126/science.1093753
  65. 10.1126/science.1084398
  66. 10.1038/380451a0
  67. 10.1038/nature01529
  68. 10.1063/1.109495
  69. 10.1002/1361-6374(199803)6:1<14::AID-BIO3>3.0.CO;2-O
  70. 10.1364/JOSAB.9.001761
  71. 10.1021/ac980768q
  72. 10.1021/jp9833597
  73. 10.1016/S0009-2614(00)00633-3
  74. 10.1016/S0022-2313(00)00185-X
  75. 10.1021/jp973116z
  76. 10.1038/385143a0
  77. 10.1021/jp001373p
  78. 10.1002/1438-5171(200009)1:3<215::AID-SIMO215>3.0.CO;2-S
  79. 10.1021/jp010365l
  80. 10.1103/PhysRevLett.77.3979
  81. 10.1021/ac991116k
  82. 10.1021/ac034976g
  83. 10.1007/s003400000405
  84. 10.1021/ac026333r
  85. 10.1063/1.1373688
  86. 10.1021/ja027343c
  87. 10.1016/S0168-1656(00)00412-0
  88. 10.1002/1438-5171(200112)2:4<251::AID-SIMO251>3.0.CO;2-T
  89. 10.1126/science.1061767 / Science by Kelley A. M. (2001)
  90. 10.1016/S0009-2614(01)00883-1
  91. 10.1021/ac025730z
  92. 10.1021/jp034906d
  93. 10.1073/pnas.95.4.1556
  94. 10.1021/jp980965t
  95. 10.1021/ac00057a022
  96. 10.1021/jp002358n
  97. 10.1016/S0009-2614(97)00409-0
  98. 10.1021/ac000877g
  99. 10.1016/S0009-2614(97)00440-5
  100. 10.1038/1781046a0
  101. 10.1103/PhysRevLett.69.1516
  102. 10.1103/PhysRevLett.84.1148
  103. 10.1016/S0009-2614(97)00266-2
  104. 10.1021/jp9616775
  105. 10.1021/ja0012570
  106. 10.1073/pnas.0434003100
  107. 10.1083/jcb.115.1.67
  108. 10.1063/1.1332414
  109. 10.1073/pnas.58.2.719
  110. 10.1146/annurev.bi.47.070178.004131
  111. 10.1016/0022-2836(77)90042-0
  112. 10.1002/(SICI)1097-0320(19980815)34:4<159::AID-CYTO1>3.0.CO;2-B
  113. 10.1021/bi9702445
  114. 10.1021/bi9530301
  115. 10.1126/science.7973630
  116. 10.1038/78941
  117. 10.1006/meth.2001.1217
  118. 10.1073/pnas.090104997
  119. 10.1002/1438-5171(200112)2:4<283::AID-SIMO283>3.0.CO;2-9
  120. 10.1073/pnas.032077799
  121. 10.1073/pnas.96.16.9077
  122. 10.1126/science.288.5473.2048
  123. 10.1073/pnas.1233536100
  124. 10.1016/S0014-5793(02)03198-8
  125. 10.1073/pnas.2628068100
  126. 10.1073/pnas.96.7.3670
  127. 10.1016/S0009-2614(97)01377-8
  128. 10.1073/pnas.95.15.8602
  129. 10.1103/PhysRevLett.85.2400
  130. 10.1073/pnas.101523498
  131. 10.1021/nl0341988
  132. 10.1021/jp0038660
  133. 10.1073/pnas.97.24.13021
  134. 10.1073/pnas.2331232100
  135. 10.1038/nsmb718
  136. 10.1002/ijch.197000029
  137. 10.1016/0304-4173(85)90014-X
  138. 10.1073/pnas.172524899
  139. 10.1016/0019-2791(77)90308-1
  140. 10.1021/bc0341324
  141. 10.1126/science.1086911
  142. 10.2174/1389201043376896
  143. 10.1007/BF00723896
  144. 10.1021/ac000024o
  145. 10.1021/jp0348068
  146. 10.1021/ja036082j
  147. 10.1002/ange.200290043
  148. 10.1002/anie.200290044
  149. 10.1073/pnas.97.13.7220
  150. 10.1016/0167-5699(96)30019-4
  151. 10.1002/ange.200201611
  152. 10.1002/anie.200201611
  153. 10.1126/science.277.5329.1074
  154. 10.1021/jp981808x
  155. 10.1073/pnas.97.21.11187
  156. 10.1063/1.1343874
  157. 10.1073/pnas.94.20.10630
  158. 10.1073/pnas.96.20.11271
  159. 10.1016/S1386-1425(01)00499-1
  160. 10.1021/jp983227d
  161. 10.1021/jp010116x
  162. 10.1073/pnas.251532698
  163. 10.1073/pnas.251525598
  164. 10.1016/S0022-2313(02)00247-8
  165. 10.1021/jp0218995
  166. 10.1021/jp026565u
  167. 10.1126/science.289.5483.1327
  168. 10.1002/(SICI)1521-3757(19991216)111:24<3970::AID-ANGE3970>3.0.CO;2-I
  169. 10.1002/(SICI)1521-3773(19991216)38:24<3752::AID-ANIE3752>3.0.CO;2-Y
  170. 10.1021/ja017442a
  171. 10.1038/373132a0
  172. 10.1063/1.464249
  173. 10.1021/jp001992y
  174. 10.1103/PhysRevLett.91.093903
  175. 10.1073/pnas.2235805100
  176. 10.1103/PhysRevLett.92.103001
  177. 10.1021/ja00100a055
  178. {'key': 'e_1_2_13_174_2', 'first-page': '38', 'volume': '4962', 'author': 'Heilemann M.', 'year': '2003', 'journal-title': 'Proc. SPIE‐Int. Soc. Opt. Eng.'} / Proc. SPIE‐Int. Soc. Opt. Eng. by Heilemann M. (2003)
  179. 10.1021/ja049351u
  180. 10.1021/nl049660i
  181. 10.1126/science.8079175
  182. 10.1002/ange.200300570
  183. 10.1002/anie.200300570
  184. 10.1038/420759a
  185. 10.1146/annurev.cb.09.110193.001405
  186. 10.1126/science.280.5363.547
  187. 10.1126/science.284.5421.1790
  188. 10.1038/35066075
  189. {'key': 'e_1_2_13_184_2', 'first-page': '10', 'volume': '62', 'author': 'Wansink D. G.', 'year': '1996', 'journal-title': 'J. Cell Biol.'} / J. Cell Biol. by Wansink D. G. (1996)
  190. 10.1093/emboj/18.8.2241
  191. 10.1126/science.280.5363.585
  192. 10.1126/science.1072241
  193. 10.1016/0092-8674(89)90924-0
  194. 10.1007/BF02484398
  195. 10.1007/s004180000214
  196. 10.1038/nrm976
  197. 10.1093/nar/20.21.5691
  198. 10.1016/S0009-2614(98)00096-7
  199. 10.1063/1.1149677
  200. 10.1073/pnas.151247498
  201. 10.1126/science.285.5433.1569
  202. 10.1074/jbc.272.25.16010
  203. 10.1002/1439-7633(20020301)3:2/3<257::AID-CBIC257>3.0.CO;2-S
  204. 10.1002/cbdv.200490014
  205. 10.1002/(SICI)1438-5171(200004)1:1<25::AID-SIMO25>3.0.CO;2-O
  206. 10.1002/ange.200453835
  207. 10.1002/anie.200453835
  208. 10.1146/annurev.biochem.67.1.509
  209. 10.1073/pnas.97.22.11984
  210. 10.1073/pnas.93.1.443
  211. 10.1083/jcb.130.3.639
  212. 10.1016/S0006-3495(01)76209-1
  213. 10.1016/S0006-3495(01)75907-3
  214. 10.1023/A:1012297000742
  215. 10.1016/S0006-3495(01)76236-4
  216. 10.1016/S0301-0104(99)00256-6
  217. 10.1002/1438-5171(200012)1:4<261::AID-SIMO261>3.0.CO;2-R
  218. 10.1021/jp003813i
  219. 10.1038/13657
  220. 10.1038/nbt0102-83
  221. 10.1073/pnas.182157199
  222. 10.1016/S0014-5793(01)02930-1
  223. 10.1073/pnas.082243699
  224. 10.1016/S1097-2765(02)00496-3
  225. 10.1073/pnas.95.11.6043
  226. 10.1016/S0006-3495(97)78833-7
  227. 10.1073/pnas.96.18.10123
  228. 10.1021/ac000705j
  229. 10.1073/pnas.211250098
  230. 10.1016/S0006-3495(01)76261-3
  231. 10.1126/science.1064103
  232. 10.1126/science.1069013
  233. 10.1126/science.281.5385.2013
  234. 10.1364/OL.26.000825
  235. 10.1126/science.281.5385.2016
  236. 10.1126/science.1077194
  237. 10.1038/nbt767
  238. 10.1021/ac034139e
  239. 10.1021/ja0125570
  240. 10.1021/ja002535y
  241. 10.1038/nbt764
  242. 10.1126/science.1083780
  243. {'key': 'e_1_2_13_237_2', 'first-page': '261', 'volume': '32', 'author': 'Pinaud F.', 'year': '2003', 'journal-title': 'Eur. Biophys. J.'} / Eur. Biophys. J. by Pinaud F. (2003)
  244. 10.1126/science.1088525
  245. 10.1038/383802a0
  246. 10.1063/1.480896
  247. 10.1063/1.1377883
  248. 10.1021/ja039686w
  249. 10.1021/jp001771s
  250. 10.1002/1521-4095(20020618)14:12<882::AID-ADMA882>3.0.CO;2-Y
  251. 10.1016/S0006-3495(95)79937-4
  252. 10.1021/j100049a030
  253. 10.1073/pnas.93.7.2926
  254. 10.1126/science.274.5289.966
  255. 10.1073/pnas.0401638101
  256. 10.1002/1361-6374(199603)4:1<17::AID-BIO3>3.0.CO;2-J
  257. 10.1046/j.1365-2818.2000.00707.x
  258. 10.1016/S0009-2614(98)00673-3
  259. 10.1073/pnas.170286097
  260. 10.1006/meth.2001.1218
  261. 10.1364/OL.20.000237
  262. 10.1007/BF01828950
  263. 10.1021/ac025576g
  264. 10.1364/JOSAA.9.002159
  265. 10.1073/pnas.052545099
  266. 10.1073/pnas.94.2.520
  267. 10.1103/PhysRevLett.85.5312
  268. 10.1364/JOSAA.18.002833
  269. 10.1117/1.1383293
  270. 10.1364/AO.41.007275
  271. 10.1126/science.1075606
  272. 10.1073/pnas.97.15.8206
  273. 10.1063/1.1571656
  274. 10.1038/nbt895
  275. 10.1038/nbt897
  276. 10.1007/s00340-003-1280-x
  277. 10.1093/nar/22.16.3418
  278. 10.1093/nar/22.15.3226
  279. 10.1002/1439-7633(20011001)2:10<773::AID-CBIC773>3.0.CO;2-S
  280. {'key': 'e_1_2_13_274_2', 'first-page': '3350', 'author': 'Brakmann S.', 'journal-title': 'Angew. Chem. 2002, 114'} / Angew. Chem. 2002, 114 by Brakmann S.
  281. 10.1002/1521-3773(20020902)41:17<3215::AID-ANIE3215>3.0.CO;2-6
  282. 10.1002/1521-3757(20010417)113:8<1473::AID-ANGE1473>3.0.CO;2-T
  283. 10.1002/1521-3773(20010417)40:8<1427::AID-ANIE1427>3.0.CO;2-T
  284. 10.1126/science.1090850
  285. 10.1038/nature01160
  286. 10.1016/S0301-0104(99)00098-1
  287. 10.1073/pnas.130589397
  288. 10.1073/pnas.0401690101
  289. 10.1126/science.2464851
  290. 10.1016/S0006-3495(97)78100-1
  291. 10.1016/S0006-3495(00)76811-1
  292. 10.1126/science.1063951
  293. 10.1038/35023563
  294. 10.1073/pnas.192261499
  295. 10.1016/S0006-3495(03)74611-6
  296. 10.1002/1438-5171(200204)3:1<33::AID-SIMO33>3.0.CO;2-U
  297. 10.1103/PhysRevLett.83.2722
  298. 10.1021/bc034085f
  299. 10.1364/OL.11.000288
  300. 10.1366/0003702021954557
  301. 10.1063/1.1428801
  302. 10.1146/annurev.bb.23.060194.001335
  303. 10.1016/S0006-3495(99)77117-1
  304. 10.1063/1.1673749
  305. 10.1021/jp992768f
  306. 10.1103/PhysRevLett.80.4606
  307. {'key': 'e_1_2_13_299_2', 'first-page': '1464', 'volume': '83', 'author': 'Soni G. V.', 'year': '2002', 'journal-title': 'Curr. Sci.'} / Curr. Sci. by Soni G. V. (2002)
  308. 10.1186/1475-4924-2-6
  309. 10.1016/S0065-3276(08)60523-7
  310. 10.1126/science.1081025
  311. 10.1529/biophysj.104.045971
  312. 10.1021/ja0318028
  313. 10.1073/pnas.0403884101
  314. 10.1038/nsmb831
  315. 10.1073/pnas.0403575101
  316. 10.1529/biophysj.104.043935
  317. 10.1002/cphc.200400513
  318. 10.1002/cphc.200490000
  319. 10.1002/cphc.200400325
  320. 10.1021/jp047804b
  321. 10.1103/PhysRevLett.93.236404
  322. 10.1073/pnas.0403325101
  323. 10.1073/pnas.0401354101
  324. 10.1073/pnas.0402970101
  325. 10.1073/pnas.0403675101
  326. 10.1002/ange.200460625
  327. 10.1002/anie.200460625
  328. 10.1073/pnas.0409039102
  329. 10.1063/1.1652228
  330. 10.1073/pnas.0403534101
  331. 10.1021/nl0347334
  332. 10.1021/nl047996m
  333. 10.1126/science.1104274
  334. 10.1021/nl049295v
  335. 10.1002/adma.200306111
  336. 10.1073/pnas.0402155101
  337. T. Heinlein A. Biebricher P. Schlüter C. Roth D. P. Herten J. Wolfrum M. Heilemann C. Müller P. Tinnefeld M. Sauer; unpublished results.
  338. 10.1101/gr.1635204
  339. 10.1002/ange.200461337
  340. 10.1002/anie.200461337
  341. 10.1016/j.physleta.2004.03.082
  342. 10.1016/j.conb.2004.08.015
  343. 10.1073/pnas.0409487102
Dates
Type When
Created 20 years, 3 months ago (April 25, 2005, 6:48 a.m.)
Deposited 1 year, 11 months ago (Aug. 29, 2023, 9:17 p.m.)
Indexed 1 year ago (Aug. 17, 2024, 1:09 a.m.)
Issued 20 years, 3 months ago (April 25, 2005)
Published 20 years, 3 months ago (April 25, 2005)
Published Online 20 years, 3 months ago (April 25, 2005)
Published Print 20 years, 3 months ago (April 29, 2005)
Funders 0

None

@article{Tinnefeld_2005, title={Branching Out of Single‐Molecule Fluorescence Spectroscopy: Challenges for Chemistry and Influence on Biology}, volume={44}, ISSN={1521-3773}, url={http://dx.doi.org/10.1002/anie.200300647}, DOI={10.1002/anie.200300647}, number={18}, journal={Angewandte Chemie International Edition}, publisher={Wiley}, author={Tinnefeld, Philip and Sauer, Markus}, year={2005}, month=apr, pages={2642–2671} }