文献信息
华南理工大学生物科学与工程学院、广州医科大学附属第二医院等单位的研究成果《Deep silicification–assisted long-term preservation of structural and genomic information across biospecies: From micro to macro》(深度硅化辅助长期保存生物物种结构和基因组信息-从微观到宏观)在国际著名杂志《PNAS》(IF:9.4)上发表。平生公司的离活一体Micro CT设备(NEMO)在论文中提供了蚯蚓样本的形态图像和定量分析。
该论文第一作者为华南理工大学生物科学与工程学院硕士研究生梁科,共同一作为华南理工大学生物科学与工程学院博士后周亮、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学院朱伟教授、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。
文献摘要
背景:在生物样本中同时保存形态、结构和基因组属性对于全面了解生物现象和疾病机制至关重要。然而,目前的保存方法(例如,冷冻保存,化学试剂固定和生物塑化)在同时实现这些关键的组合目标方面表现出局限性。为了解决这一问题,受自然石化的启发,作者提出了“深度硅化”,这是一种消除固定要求并克服冷链问题的室温技术。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,有效增强无机二氧化硅材料与生物体的相互作用。这种多用途且成本效益高的方法在保存各种尺度的生物体形态方面表现出显著的效果。通过加速老化实验推算,在20℃条件下,硅化蚯蚓的基因组储存半衰期约为1347.4年,DNA的存储稳定性增强了4723倍,全基因组测序证实了样本中的全基因组信息近100%的保真度。由于其简单和可靠,“深度硅化”代表了生物样品存储的范式转变。
实验方法
Micro CT扫描
采用Nemo Micro-CT (平生医疗科技有限公司,型号NMC-200)对蚯蚓标本进行断层扫描。扫描管电压设为60 kV,扫描管电流设为120µA。扫描过程中,探测器和球管绕样品室中心轴旋转360度,在扫描区域内投影4000次,持续1800秒。探测器捕获图像后,将图像传输到计算机上,在Avatar软件(版本1.7.2, 平生医疗科技有限公司)上使用FDK方法进行重建,以15µm × 15µm × 9µm的像素大小,使用FDK方法进行重建。
实验结果
Micro-CT扫描显示,与对照组相比,硅化蚯蚓密度更高,边界明确,节段结构明显(图4 F和H)。深度硅化的蚯蚓表面和内部沉积了大量的二氧化硅材料,为整体结构提供了良好的支撑和保护。通过一级降解动力学模型计算得出,在20℃条件下,硅化蚯蚓的基因组储存半衰期约为1347.4年。与对照组和未硅化组相比,深度硅化的软体动物样本中DNA的稳定性分别提升了4723倍和517倍。
图4:宏观生物的深度硅化。(A、B)深度硅化蚯蚓的SEM图像,(A)蚯蚓的横切面,(B)插图虚线部分放大后的蚯蚓肌肉组织的SEM图像,插图部分为(A)黄色虚线框内放大后的SEM图像。(C-E)深度硅化蚯蚓煅烧后的SEM图像,(D)蚯蚓硅复制品的纵切面,插图为黄色虚线框内放大后的图像。(E)蚯蚓肌肉间纤维结构的硅复制品。(F)蚯蚓显微CT图像,从左到右虚线框内的图像分别代表对照组和深度硅化组。(G)蚯蚓不同部位的CT值。(H)固定未处理蚯蚓和硅化蚯蚓的总体积比较。
使用结论
深度硅化在各种尺度上提供一致的保护,从微米大小的细菌和细胞到宏观的软体动物和哺乳动物器官,实现“化石般的”封装和保存。该技术保留了样品的形态和结构,同时实现了基因组物质的“原位封装和按需提取”。与以往的各种方法(如冷冻保存、福尔马林固定、DNA提取和保存以及冷冻硅化)相比,作者的研究在DNA储存、结构完整性保护以及时间、成本、毒性和能效方面具有显著优势。展望未来,通过深度硅化保存结构和基因组信息为减轻物种灭绝和促进未来的生物多样性保护提供了巨大的潜力。
使用设备
Micro CT (型号:NEMO) (平生医疗科技)
影像软件:Avatar(平生医疗科技)