文獻(xiàn)信息

華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院、廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院等單位的研究成果《Deep silicification–assisted long-term preservation of structural and genomic information across biospecies: From micro to macro》（深度硅化輔助長期保存生物物種結(jié)構(gòu)和基因組信息-從微觀到宏觀）在國際著名雜志《PNAS》（IF：9.4）上發(fā)表。平生公司的離活一體Micro CT設(shè)備（NEMO）在論文中提供了蚯蚓樣本的形態(tài)圖像和定量分析。

該論文第一作者為華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生梁科，共同一作為華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院博士后周亮、廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院教授雷琪，通訊作者為華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院朱偉教授、新墨西哥大學(xué)C. Jeffrey Brinker教授、華南師范大學(xué)張敏敏副研究員，華南理工大學(xué)為第一通訊單位。

文獻(xiàn)摘要
背景：在生物樣本中同時(shí)保存形態(tài)、結(jié)構(gòu)和基因組屬性對(duì)于全面了解生物現(xiàn)象和疾病機(jī)制至關(guān)重要。然而，目前的保存方法（例如，冷凍保存，化學(xué)試劑固定和生物塑化）在同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵的組合目標(biāo)方面表現(xiàn)出局限性。為了解決這一問題，受自然石化的啟發(fā)，作者提出了“深度硅化”，這是一種消除固定要求并克服冷鏈問題的室溫技術(shù)。該技術(shù)的核心在于乙醇和二甲基亞砜（DMSO）在蛋白質(zhì)催化的自限性硅化過程中的協(xié)同作用，有效增強(qiáng)了硅酸在生物體內(nèi)的滲透和積累，極大提升細(xì)胞內(nèi)二氧化硅含量，有效增強(qiáng)無機(jī)二氧化硅材料與生物體的相互作用。這種多用途且成本效益高的方法在保存各種尺度的生物體形態(tài)方面表現(xiàn)出顯著的效果。通過加速老化實(shí)驗(yàn)推算，在20℃條件下，硅化蚯蚓的基因組儲(chǔ)存半衰期約為1347.4年，DNA的存儲(chǔ)穩(wěn)定性增強(qiáng)了4723倍，全基因組測(cè)序證實(shí)了樣本中的全基因組信息近100%的保真度。由于其簡(jiǎn)單和可靠，“深度硅化”代表了生物樣品存儲(chǔ)的范式轉(zhuǎn)變。

實(shí)驗(yàn)方法
Micro CT掃描
采用Nemo Micro-CT （平生醫(yī)療科技有限公司，型號(hào)NMC-200）對(duì)蚯蚓標(biāo)本進(jìn)行斷層掃描。掃描管電壓設(shè)為60 kV，掃描管電流設(shè)為120µA。掃描過程中，探測(cè)器和球管繞樣品室中心軸旋轉(zhuǎn)360度，在掃描區(qū)域內(nèi)投影4000次，持續(xù)1800秒。探測(cè)器捕獲圖像后，將圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，在Avatar軟件（版本1.7.2, 平生醫(yī)療科技有限公司）上使用FDK方法進(jìn)行重建，以15µm × 15µm × 9µm的像素大小，使用FDK方法進(jìn)行重建。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Micro-CT掃描顯示，與對(duì)照組相比，硅化蚯蚓密度更高，邊界明確，節(jié)段結(jié)構(gòu)明顯（圖4 F和H）。深度硅化的蚯蚓表面和內(nèi)部沉積了大量的二氧化硅材料，為整體結(jié)構(gòu)提供了良好的支撐和保護(hù)。通過一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得出，在20℃條件下，硅化蚯蚓的基因組儲(chǔ)存半衰期約為1347.4年。與對(duì)照組和未硅化組相比，深度硅化的軟體動(dòng)物樣本中DNA的穩(wěn)定性分別提升了4723倍和517倍。

圖4：宏觀生物的深度硅化。（A、B）深度硅化蚯蚓的SEM圖像，(A)蚯蚓的橫切面，(B)插圖虛線部分放大后的蚯蚓肌肉組織的SEM圖像，插圖部分為(A)黃色虛線框內(nèi)放大后的SEM圖像。（C-E）深度硅化蚯蚓煅燒后的SEM圖像，(D)蚯蚓硅復(fù)制品的縱切面，插圖為黃色虛線框內(nèi)放大后的圖像。(E)蚯蚓肌肉間纖維結(jié)構(gòu)的硅復(fù)制品。(F)蚯蚓顯微CT圖像，從左到右虛線框內(nèi)的圖像分別代表對(duì)照組和深度硅化組。(G)蚯蚓不同部位的CT值。(H)固定未處理蚯蚓和硅化蚯蚓的總體積比較。

使用結(jié)論
深度硅化在各種尺度上提供一致的保護(hù)，從微米大小的細(xì)菌和細(xì)胞到宏觀的軟體動(dòng)物和哺乳動(dòng)物器官，實(shí)現(xiàn)“化石般的”封裝和保存。該技術(shù)保留了樣品的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基因組物質(zhì)的“原位封裝和按需提取”。與以往的各種方法（如冷凍保存、福爾馬林固定、DNA提取和保存以及冷凍硅化）相比，作者的研究在DNA儲(chǔ)存、結(jié)構(gòu)完整性保護(hù)以及時(shí)間、成本、毒性和能效方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。展望未來，通過深度硅化保存結(jié)構(gòu)和基因組信息為減輕物種滅絕和促進(jìn)未來的生物多樣性保護(hù)提供了巨大的潛力。

使用設(shè)備

  Micro CT (型號(hào)：NEMO) (平生醫(yī)療科技)
 影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）