近日，华南理工大学生物科学与工程桃子汉化组移植游戏大全朱伟教授课题组在国际著名期刊Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）杂志上在线发表题目为“Deep silicification–assisted long-term preservation of structural and genomic information across biospecies: From micro to macro“的研究论文。论文第一作者为华南理工大学生物科学与工程桃子汉化组移植游戏大全2020级硕士研究生梁科，共同一作为华南理工大学生物科学与工程桃子汉化组移植游戏大全博士后周亮和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桃子汉化组移植游戏大全朱伟教授、美国新墨西哥大学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。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408273121
图1. 基于深度硅化的生物库构建及其深度硅化过程示意图
生物样本的形态和结构为研究人员研究内部组织、细胞形态多样性及器官功能提供了基础。基因组作为遗传信息的载体，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）。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。
在本工作中，研究团队提出了 “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，从而有效增强无机二氧化硅介质与生物体的相互作用。
通过深度硅化技术，研究团队成功构建了生物样本库，实现了从微生物（如细菌和细胞）到宏观样本（如软体动物和哺乳动物器官）的长效保存。加速老化实验证明，在室温条件下，生物样本中的基因组信息能够保存数千年，且基因组信息的保存率相比对照样本提高了4723倍。全基因组测序分析进一步证实了深度硅化技术在保存基因完整性方面的卓越性能，硅化前后的基因组信息保真度接近100%。
深度硅化技术有可能未来为生物样本的长期保存提供全新的解决方案。
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等项目的支持。
