保存生物樣本的形態和結構屬性，為研究人員提供了至關重要的研究素材，使他們能夠深入探索生物體內組織結構的精妙布局、細胞形態的多樣性和器官功能的復雜運作機制。基因組，作為生物體內遺傳信息的載體，其長效保存對于深入研究基因結構、功能及調控機制至關重要。以高保真度的方式同時實現樣本形態、結構和基因組信息的保存，進而獲取更全面、多維的數據集，對推動生物現象的理解和疾病機制的解析有重大價值。
目前主要有三種方法用于同時保存生物樣本的形態、結構和基因組信息：（1）低溫冷凍保存 — 通過延緩新陳代謝過程，從而極大降低降解速度。但該方法能耗高，且反復冷凍/解凍可能破壞內部DNA結構；（2）化學試劑固定 — 使用福爾馬林固定生物樣本中的蛋白質，隨后通過石蠟包埋進行封裝。然而，福爾馬林固定可能會導致DNA斷裂，產生序列偽影，進而干擾DNA圖譜分析（3）生物塑化技術 — 用液態高分子逐漸取代組織細胞內的水分子，進而實現組織結構的長效保存。但該技術復雜、成本較高，且熱處理過程會造成內部生物信息的破壞。現有技術在同時保護形態、結構和基因組數據方面仍有局限，亟需開發能在常溫下長期保存生物樣本的新技術，確保高保真度、環境可持續性和經濟可行性。
硅基材料具有化學惰性、機械強度高和熱穩定性好等優良特性，通過生物硅化技術可以模擬天然化石形成過程，從而實現對生物樣本的封裝保存。在生物硅化領域，朱偉教授課題組開展了大量工作（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）。但通過生物硅化技術，實現跨物種的生物樣本結構和遺傳信息的穩定、長效和高保真度保存的工作仍鮮有報導。
圖1. 生物體深度硅化過程的示意圖和生物庫的構建。（A）利用深度硅化技術，可以通過原位封裝輕松建立生物庫。（B）按需提取基因組信息，用于DNA譜分析和測序。
深度硅化對跨尺度生物樣本結構和遺傳信息的保存效果：
圖2. 細胞層面的深度硅化及其DNA保存效果。
圖3. 細菌層面的硅化及其DNA保存效果。
圖4. 宏觀生物樣本層面的深度硅化及其基因組保護效果和降解動力學。
圖5.器官層面的深度硅化及其DNA保存效果。
總之，“深度硅化”技術有效地模擬了自然化石的形成過程，該技術可實現生物樣本從微觀到宏觀的形態和結構保護，同時實現內部基因組的“原位封裝和按需提取”。該方法有望未來為生物樣本的長期保存提供全新的解決方案。
原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408273121
- 暫無相關新聞
