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。

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：

图2. 细胞层面的深度硅化及其DNA保存效果。

图3. 细菌层面的硅化及其DNA保存效果。

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。

图5.器官层面的深度硅化及其DNA保存效果。

  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。

  原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408273121