# Molecular imaging technologies for mechanobiology

> **NIH NIH R01** · EMORY UNIVERSITY · 2022 · $329,090

## Abstract

Project Summary 
 
Cells  are  highly  dynamic,  squeezing,  pulling,  and  tugging  on  their  surroundings  and  on  each  other.  Each 
individual interaction involves forces. These forces are felt by specific receptors and molecules. Although small 
in magnitude (pN), these molecular forces can have profound biological impacts in many aspects of cellular life 
including the fate of differentiating stem cells, cell division, cancer metastasis, and blood clotting. Therefore, the 
ability  to  characterize  the  interplay  between  physical  forces  and  biochemical  signals  is a  critical  component  of 
understanding  signaling  pathways  in  living  systems.  There  are  two  main  techniques  used  to  study  molecular 
mechanobiology:  single  molecule  force  spectroscopy  (SMFS)  and  traction  force  microscopy  (TFM)  based 
methods. While powerful, these approaches suffer from several drawbacks. SMFS measures individual receptor 
forces (pN), but it does so only one molecule at a time. Conversely TFM provides spatial maps of cellular forces, 
but on the nN scale, orders of magnitude larger than the forces applied by individual cell receptors.  To bridge 
these  approaches,  we  invented  molecular  tension  fluorescence  microscopy  (MTFM)  which  uses  conventional 
fluorescence microscopy to map cellular forces with pN resolution by using a calibrated molecular force probe. 
The goal of this proposal is to transform the capabilities of MTFM allowing orders of magnitude improvement in 
spatial and temporal resolution as well as the mapping of force orientation. Molecular mechanobiology remains 
at  the  fringes  of  biomedical  sciences  because  of  the  lack  of  tools  to  precisely  quantify  and  link  mechanics  to 
cellular biochemistry. Our goal is to transform the field of molecular mechanobiology by developing new imaging 
technologies  to  enable  the  study  cellular  forces  at  unprecedented  resolution.  These  technologies,  centered 
around  the  DNA-­based  MTFM  probes,  will  provide  a  broadly  applicable  platform  of  technology  to  investigate  
molecular mechanics, and the functional outcomes of molecular forces, in diverse biological systems.  In Aim 1 
we will address the spatial resolution gap, and leverage the DNA-­based force probes to develop super-­resolution 
force-­PAINT  with  the  goal  of  dynamic  force  imaging  with  20  nm  spatial  resolution.  In  Aim  2  we  will  probe  the 
dynamics of forces and force fluctuations by harnessing the power of two approaches, FRAP and FCS, to study 
molecular  force  dynamics  with  nsec  to  msec  time  resolution.  Finally,  in  Aim  3  we  will  leverage  fluorescence 
polarization  microscopy  to  measure  the  3D  orientations  of  molecular  forces.  We  will  use  fibroblast  focal 
adhesions,  platelet  activation  and  coagulation,  and  T  cell  antigen  recognition  to  test  and  verify  our  approach. 
Accomplishment of these goals will provi...

## Key facts

- **NIH application ID:** 10320359
- **Project number:** 5R01GM131099-04
- **Recipient organization:** EMORY UNIVERSITY
- **Principal Investigator:** Alexa Lynn Mattheyses
- **Activity code:** R01 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2022
- **Award amount:** $329,090
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2019-01-01 → 2022-12-31

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/10320359

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 10320359, Molecular imaging technologies for mechanobiology (5R01GM131099-04). Retrieved via AI Analytics 2026-05-22 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/10320359. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*