保存生物样本的形态和结构属性，为研究人员提供了至关重要的研究素材，使他们能够深入探索生物体内组织结构的精妙布局、细胞形态的多样性和器官功能的复杂运作机制。基因组，作为生物体内遗传信息的载体，其长效保存对于深入研究基因结构、功能及调控机制至关重要。以高保真度的方式同时实现样本形态、结构和基因组信息的保存，进而获取更全面、多维的数据集，对推动生物现象的理解和疾病机制的解析有重大价值。
目前主要有三种方法用于同时保存生物样本的形态、结构和基因组信息：（1）低温冷冻保存 — 通过延缓新陈代谢过程，从而极大降低降解速度。但该方法能耗高，且反复冷冻/解冻可能破坏内部DNA结构；（2）化学试剂固定 — 使用福尔马林固定生物样本中的蛋白质，随后通过石蜡包埋进行封装。然而，福尔马林固定可能会导致DNA断裂，产生序列伪影，进而干扰DNA图谱分析（3）生物塑化技术 — 用液态高分子逐渐取代组织细胞内的水分子，进而实现组织结构的长效保存。但该技术复杂、成本较高，且热处理过程会造成内部生物信息的破坏。现有技术在同时保护形态、结构和基因组数据方面仍有局限，亟需开发能在常温下长期保存生物样本的新技术，确保高保真度、环境可持续性和经济可行性。
硅基材料具有化学惰性、机械强度高和热稳定性好等优良特性，通过生物硅化技术可以模拟天然化石形成过程，从而实现对生物样本的封装保存。在生物硅化领域，朱伟教授课题组开展了大量工作（Nat. Rev. Bioeng. 2024, 2, 282；Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e20240611；PNAS 2024,121, e2322418121；ACS Nano 2022, 16, 2164；Nat. Commun. 2022, 13, 6265；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 6305等）。但通过生物硅化技术，实现跨物种的生物样本结构和遗传信息的稳定、长效和高保真度保存的工作仍鲜有报导。
在此工作中，为了解决当前硅化方法固有的局限性，朱伟教授课题组创新性的提出了 “深度硅化”技术，该技术在室温条件下，无需预先固定生物样本，即可长期、稳定、高保真地保存生物样本的形态、结构和基因组信息。该技术的核心在于乙醇和二甲基亚砜（DMSO）在蛋白质催化的自限性硅化过程中的协同作用，有效增强了硅酸在生物体内的渗透和积累，极大提升细胞内二氧化硅含量，有效增强无机二氧化硅介质与生物体的相互作用。深度硅化技术的多功能性体现在能够在各种尺度上全面保存生物体结构和形态，包括从微观尺度（如细菌和细胞）到宏观尺度的生物样本（如软体动物和哺乳动物器官）（图1）。
图1. 生物体深度硅化过程的示意图和生物库的构建。（A）利用深度硅化技术，可以通过原位封装轻松建立生物库。（B）按需提取基因组信息，用于DNA谱分析和测序。深度硅化对跨尺度生物样本结构和遗传信息的保存效果：（1）细胞层面 — 在蛋白的催化作用下，细胞内外形成了致密的无定形二氧化硅骨架结构，与先前开发的冷冻硅化技术相比，细胞内的硅含量提升了30倍，极大提升了无机材料与生物体的相互作用。通过加速老化验证，DNA的降解被细胞核内外的二氧化硅网络结构有效抑制。（图2）。
（2） 细菌层面 — 细菌在疾病的预防、发展和治疗中起着至关重要的作用。该工作研究了深度硅化对细菌DNA的潜在保护作用，研究结果显示硅化后的细菌相较对照组的细菌有明显的二氧化硅外壳，且深度硅化可有效保护细菌内部DNA；但是相比于细胞体系，由于细菌壳层的阻碍，无机硅元的渗透在一定程度上被削弱，导致保护效果有所降低（图3）。
（3）宏观样本层面 — 深度硅化的蚯蚓表面和内部沉积了大量的二氧化硅材料，为整体结构提供了良好的支撑和保护。通过一级降解动力学模型计算得出，在20℃条件下，硅化蚯蚓的基因组储存半衰期约为1347.4年。与对照组和未硅化组相比，深度硅化的软体动物样本中DNA的稳定性分别提升了4723倍和517倍（图4）。
图4. 宏观生物样本层面的深度硅化及其基因组保护效果和降解动力学。（4）器官层面 — 以小鼠心脏为例，深度硅化处理通过二氧化硅纳米材料的沉积，成功地在细胞、组织乃至器官等多个尺度上保留了样本的形态和结构。全基因组测序证实，深度硅化处理并未对样本的全基因组信息造成任何改变，保真度接近100%（图5）。
总之，“深度硅化”技术有效地模拟了自然化石的形成过程，该技术可实现生物样本从微观到宏观的形态和结构保护，同时实现内部基因组的“原位封装和按需提取”。该方法有望未来为生物样本的长期保存提供全新的解决方案。以上相关成果以“Deep silicification–assisted long-term preservation of structural and genomic information across biospecies: From micro to macro”为题发表于《Proceedings of the National Academy of Sciences》上，该论文第一作者为华南理工大学生物科学与工程学院硕士研究生梁科，共同一作为华南理工大学生物科学与工程学院博士后周亮、广州医科大学附属第二医院教授雷琪，通讯作者为华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授、新墨西哥大学C. Jeffrey Brinker教授、华南师范大学张敏敏副研究员，华南理工大学为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省珠江人才计划及国家博士后计划等项目的支持。
原文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408273121
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