华南理工大学朱伟 Nat. Commun.：基于冷冻硅化的全血基因组长效存储

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在电影《侏罗纪世界》中，科学家凭借在琥珀中蚊子所吸食的恐龙血液成功提取了数万年前的基因，并将那些早已消失在这颗蔚蓝星球上的远古生物带回了现代。脱氧核糖核酸 (DNA) 代表了每种生物的“遗传蓝图”，其中包含有关祖先、健康状况和遗传性状的重要信息。在众多科幻著作中，化石和琥珀常常被视为遗传密码可靠的保护载体，即使世间有沧海桑田的变化，生命的奥秘也能被很好地保存下来。

在中国古籍中我们也可以发现有关于化石的记载，如春秋时代的计然和三国时代的吴晋，都曾提到山西省产“龙骨”。然而事实上，人类从自然界挖掘到的化石残存完整的基因的可能性极低，但通过模拟天然化石对基因进行封装保存，是一种可靠的储存策略。

近日，华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授课题组在国际著名期刊《自然•通讯》（Nature Communications，IF=17.694）杂志上在线发表题目为“Long-term whole blood DNA preservation by cost-efficient cryosilicification”的研究论文。在此研究中，研究人员发展了一种新的DNA储存模式—“瞬时低温冷冻硅化”技术（图1），提出了“一步封装，按需提取”的策略，实现了对全血基因组在室温下或极端条件下的长时（室温下超过千年），大片段稳定存储，将存储成本降低至现有报导的1000倍以上，低至0.1元以下，已完全具备用于（纸基或其他媒介）的人类基因组库构建；同时结合3D打印策略，可用于“人造化石”的构建。

“瞬时低温冷冻硅化”策略的特点：1）二氧化硅前驱体在休眠状态下扩散到细胞和细胞核中，随后在细胞蛋白的催化下水解缩合，以无定形二氧化硅形式沉积至整个细胞中，实现对了DNA的完好封装；2）区别于传统甲醛保存模式，冷冻硅化技术不会对DNA造成损伤和片段化。分析的结果显示冷冻硅化保存的基因组DNA错误率为2.68×10⁻⁷，低于Taq DNA聚合酶（>10⁻⁶）；3）极大提升其在极端条件下（如紫外、高温和自由基氧等环境）的存储能力；4）可极大延长全血基因组的存储年限。在20°C时处理后的基因组存储半衰期约为1208年，与未保护血样相比，稳定性增加了167倍；5）成本低，可拓展性强，可易于与不同媒介结合，如纸基载体或3d打印技术，从而极大扩展技术的应用场景。

图1. 细胞冷冻硅化过程和全血基因组文库的构建示意图

一、全血细胞的冷冻硅化

二氧化硅前驱体在休眠状态下扩散到细胞和细胞核中，随后在细胞蛋白的催化下水解缩聚。这种在亚细胞模板上无定型的二氧化硅聚合发生在整个细胞中，模拟了自然化石中对DNA的封装。冷冻硅化后的细胞力学性能上得到明显的提高（图2）。

图2. 冷冻硅化的血细胞的结构和力学性质表征

二、全血基因组的保护效果评价

冷冻硅化并不像现有的甲醛保存DNA方式，不会对DNA造成损伤和片段化（图3）。对冷冻硅化和新鲜血液样本进行全基因组测序（WGS），发现冷冻硅化可以保存整个个人基因组。且冷冻硅化没有扰乱的基因组DNA（WGS分析的结果显示冷冻硅化保存的基因组DNA错误率为2.68×10⁻⁷，低于Taq DNA聚合酶（>10⁻⁶））。整个个体基因组的DNA可以安全地“冻结”二氧化硅化石结构中。

图3. 全血基因组的保存

三、冷冻硅化后的基因组稳定性研究

冷冻硅化方式可极大提升全血基因组在极端条件下（如紫外、高温和自由基氧等环境）的存储（图4）。此外，短串联重复序列（STR）分型的分析是法医鉴定的主要方法，他们尝试用STR研究低温硅化细胞的稳定性，发现即使在高温高湿条件下处理后，冷冻硅化细胞的STR谱与新鲜血液样一致，这说明此方法可以应用于法医鉴定。

图4. 稳定且可长期保存基因组DNA

通过加速老化实验模拟冷冻硅化后对细胞基因组DNA保存的相对年限（图5）。可推断在温度 20°C时冷冻硅化保护的基因组储存半衰期约为1208年，与未保护血样相比，稳定性增加了167倍。

图5. 全血基因组降解动力学研究

四、DNA banking构建

以不同介质作为媒介，如滤纸卡等，可以快速实现纸基版全血基因组 DNA banking的构建；而结合3D打印技术，可以快速构建“人造化石”。通过与不同载体的结合，可以极大扩展技术的应用场景（图6）。

图6. 纸质卡片和3d打印的人工制品构建全血DNA banking

五、结论

生物冷冻硅化过程是一种简单、有效的技术，可以保存数代全血细胞的宝贵遗传信息，且避免了超低温储存和相关的“冷链”问题。通过稳定性、WGS分析和加速老化研究，表明低温硅化细胞对外部应激源，即ROS、紫外线辐射和长期暴露在高温高湿的条件下有很好的保护效果，这也突显了低温硅化对安全、长期存储基因组信息的潜力。此外，利用各种基底进行全血基因组存储，可极大扩展其应用场景，满足社会日益增长的需求。

该论文第一作者为华南理工大学生物科学与工程学院博士生周亮，广州医科大学雷琪教授和美国新墨西哥大学郭佶慜博士（即将入职北京化工大学），通讯作者为华南理工大学生物科学与工程学院朱伟教授和西班牙巴斯克材料中心Stefan Wuttke教授。该研究得到了国家自然科学基金等项目支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-33759-y

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