保存生物樣本的形態(tài)和結(jié)構(gòu)屬性，為研究人員提供了至關(guān)重要的研究素材，使他們能夠深入探索生物體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的精妙布局、細(xì)胞形態(tài)的多樣性和器官功能的復(fù)雜運(yùn)作機(jī)制。基因組，作為生物體內(nèi)遺傳信息的載體，其長(zhǎng)效保存對(duì)于深入研究基因結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)控機(jī)制至關(guān)重要。以高保真度的方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣本形態(tài)、結(jié)構(gòu)和基因組信息的保存，進(jìn)而獲取更全面、多維的數(shù)據(jù)集，對(duì)推動(dòng)生物現(xiàn)象的理解和疾病機(jī)制的解析有重大價(jià)值。
目前主要有三種方法用于同時(shí)保存生物樣本的形態(tài)、結(jié)構(gòu)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(fù)冷凍/解凍可能破壞內(nèi)部DNA結(jié)構(gòu)；（2）化學(xué)試劑固定 — 使用福爾馬林固定生物樣本中的蛋白質(zhì)，隨后通過石蠟包埋進(jìn)行封裝。然而，福爾馬林固定可能會(huì)導(dǎo)致DNA斷裂，產(chǎn)生序列偽影，進(jìn)而干擾DNA圖譜分析（3）生物塑化技術(shù) — 用液態(tài)高分子逐漸取代組織細(xì)胞內(nèi)的水分子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)效保存。但該技術(shù)復(fù)雜、成本較高，且熱處理過程會(huì)造成內(nèi)部生物信息的破壞。現(xiàn)有技術(shù)在同時(shí)保護(hù)形態(tài)、結(jié)構(gòu)和基因組數(shù)據(jù)方面仍有局限，亟需開發(fā)能在常溫下長(zhǎng)期保存生物樣本的新技術(shù)，確保高保真度、環(huán)境可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)可行性。
硅基材料具有化學(xué)惰性、機(jī)械強(qiáng)度高和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良特性，通過生物硅化技術(shù)可以模擬天然化石形成過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣本的封裝保存。在生物硅化領(lǐng)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(shù)，實(shí)現(xiàn)跨物種的生物樣本結(jié)構(gòu)和遺傳信息的穩(wěn)定、長(zhǎng)效和高保真度保存的工作仍鮮有報(bào)導(dǎo)。
圖1. 生物體深度硅化過程的示意圖和生物庫的構(gòu)建。（A）利用深度硅化技術(shù)，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(cè)序。
深度硅化對(duì)跨尺度生物樣本結(jié)構(gòu)和遺傳信息的保存效果：
圖2. 細(xì)胞層面的深度硅化及其DNA保存效果。
圖3. 細(xì)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(hù)效果和降解動(dòng)力學(xué)。
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(shù)有效地模擬了自然化石的形成過程，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)生物樣本從微觀到宏觀的形態(tài)和結(jié)構(gòu)保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)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(zhǎng)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
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