近日，华南理工大学朱伟教授、广州医科大学雷琪教授和美国新墨西哥大学C. Jeffrey Brinker教授团队的AMR述评文章“Silica-Based Encoding of Biological Structure, Information, and Activity”在线发表，系统梳理了团队在可控仿生硅化领域的研究历程，总结了相关研究成果：从最初利用二氧化硅实现生物结构的高保真复制，逐步拓展至基因组、转录组和蛋白质组等生物信息的长期稳定保存，并进一步发展到生物活性的维持、恢复与功能增强。同时，文章系统回顾了从天然化石和天然生物硅化到人工可控硅化技术的发展脉络，并提出二氧化硅基编码的概念框架，展望其在长期生物样本保存、多组学分析、疾病模型、生物传感及生命体系重构等方向的发展前景。

关键词：仿生硅化，生物保存，生物信息编码，多组学保存，生物功能调控

原文提要：“Biomimetic silicification provides a powerful framework for preserving and reactivating life, potentially transforming how biological materials are archived, studied, and utilized.”

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文章内容简介

如何在时间尺度上同时保存生物系统的结构、分子信息和功能活性，仍是现代生物技术面临的核心挑战之一。现有保存策略往往存在明显权衡：能够较好维持结构完整性的方法，常常会损害分子信息；而旨在稳定生物分子的技术，又可能破坏其天然结构或功能。自然界则提供了极具启发性的长期保存范例。例如，西伯利亚永久冻土中的化石能够保存数百万年前仍可读取的遗传物质，而硅化生物体也常常能够在矿物基质中同时保留精细的形貌特征和分子化学信息。这些自然现象表明，硅化有望同时固定生物结构并稳定其核心分子信息。然而，天然化石形成过程极其缓慢、不可控且不可逆，通常需要经历地质时间尺度。因此，一个关键科学问题随之提出：能否在可控的实验室条件和实际可行的时间尺度内，构建仿生二氧化硅壳层，以类似天然化石的方式高保真捕获并保存生物系统？ 在这一背景下，本文所提出的“二氧化硅基编码（silica-based encoding）”并不仅仅指被动保存，而是指将生物结构、分子信息和功能状态转化为由矿物稳定的形式，使其能够长期保持可读取性，并在特定情况下实现恢复。

本文系统总结了团队近年来在可控仿生硅化平台方面的研究进展，该平台能够实现对生物系统的多层次保存。在结构层面，二氧化硅复制能够对从亚细胞器、单个细胞到复杂组织的三维生物结构进行高保真保存，从而突破传统保存技术在形貌分辨率与长期稳定性之间的矛盾。在分子层面，通过在生物样本内部原位构筑二氧化硅基质，可以显著提高生物大分子的化学稳定性，使基因组、转录组和蛋白质组能够在无需依赖低温冷链的情况下，于室温条件下实现长期保存。在功能层面，该策略进一步突破了静态保存的范畴：在硅化包封过程中，酶活性和细胞活力能够得到一定程度维持，并可在可控去除二氧化硅后实现恢复，从而使保存样本中的生物功能得以重新激活。

这些能力来源于二氧化硅基质独特的物理化学性质。其较高的比表面积和可调控的化学环境能够通过静电作用、氢键等非共价相互作用稳定生物分子；与此同时，二氧化硅又能够在温和、可控的条件下溶解除去，从而在尽量减少对分子完整性和生物活性干扰的情况下，实现按需脱硅和信息重新读取。

展望未来，推动这一技术进一步发展仍需要解决若干关键问题。首先，需要更加深入地理解二氧化硅前驱体与生物大分子之间的相互作用机制，从而实现对硅化路径的精准调控，并将其进一步拓展至更加复杂的生物体系和一体化多组学保存。其次，需要建立与临床流程和生物样本库兼容的标准化技术体系，以推动实际转化。未来，这类技术有望在长期生物样本保存、疾病模型、药物发现、生物传感以及早期生命体系重构等领域发挥重要作用。最终，通过实现对生物信息的可控二氧化硅封装，仿生硅化有望为生命的保存与重新激活提供一种新的技术框架，并改变生物材料在生命科学中的保存、研究和利用方式。

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AMR：文章中使用了“Silica-Based Encoding”而不仅仅是“Silica-Based Preservation”。为什么要特别强调“编码”这一概念？二者最核心的区别是什么？

作者团队：

我们提出“silica-based encoding”这一表述，一个很重要的考虑，是希望把仿生硅化从传统意义上的“保存材料”进一步提升到“生物信息载体”的层面来理解。传统意义上的preservation更强调时间维度，也就是说，一个样本经过处理以后，能不能保存得更久。但对于今天的生命科学而言，仅仅保存一个样本的存在状态已经远远不够。我们真正关心的是，当数月、数年甚至更长时间以后重新取出这个样本时，我们究竟还能从中读取多少原始生命信息。这些信息是分层次的。最直观的是结构信息，包括细胞形态、细胞器空间分布以及组织的三维结构；再往下是基因组、转录组和蛋白质组等分子信息；更进一步则是酶活性、代谢、免疫反应、细胞命运等功能信息。因此，我们在文章中把“encoding”定义为：通过可控硅化，将这些原本动态、脆弱、容易受到环境扰动的生物状态，转化为相对稳定的二氧化硅—生物复合状态，并保证这些信息能够在后续重新被读取，在特定情况下甚至能够恢复相应的生物功能。从这个角度来说，硅化并不是终点。如果一个生物样本被非常牢固地矿化，但后续DNA无法提取、蛋白无法识别、酶活性完全丢失，那么从“编码”的角度看，它仍然是不完整的。真正理想的体系应该经历一个完整过程：写入、保存、读取，进一步还可能包括再激活。这也是为什么我们希望用“encoding”重新组织过去一系列仿生硅化工作。它把结构保存、组学信息保护和生物功能调控放到了同一条逻辑链上。

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AMR：为什么二氧化硅特别适合承担这种“生命信息编码介质”的角色？其保护生物信息的核心机制是什么？

作者团队：

二氧化硅比较特殊的一点，在于它同时兼具化学稳定性、界面可调控性、温和形成能力和一定程度的可逆性。天然硅藻已经证明，二氧化硅可以在接近生理条件的水环境中，通过有机大分子的调控完成精细矿化。这与很多必须依赖高温、高压或强反应条件形成的无机材料明显不同，也给人工生物硅化提供了非常重要的天然范本。从微观机制来看，我们更倾向于把硅化理解为一种生物—无机界面的稳定过程，而不是简单的“外壳效应”。在蛋白质、核酸以及细胞界面附近，硅酸和硅醇基团可以与羟基、羧基、磷酸基、氨基以及碱性氨基酸残基形成多种非共价相互作用。随着硅酸逐渐缩合，原本高度动态的水化界面被更加稳定的二氧化硅网络部分取代，生物大分子的局部运动受到限制，同时氧化、水解以及外源酶对生物分子的接近也受到抑制。除此之外，形成的二氧化硅网络还具有一个很有意思的特点，就是尺寸选择性通透性。较小的离子和分子仍然可以通过网络，而尺寸更大的蛋白酶、抗体乃至纳米颗粒则可能被不同程度地阻挡。因此，二氧化硅不是简单地建立一堵完全不透的墙，而更像是构建一个可以调节通透性的“分子筛”。这实际上也带来了整个领域最核心的矛盾之一，保护与可访问性之间的平衡。网络太疏松，外源酶和环境因素仍然能够攻击内部生物分子；网络太致密，虽然保护能力增强，却会妨碍后续分子探针进入、组学提取甚至细胞代谢。因此，未来真正需要解决的不是简单追求“更多的硅”，而是根据需要保存的信息类型去设计合适的硅化深度、孔径、界面相互作用以及脱硅方式。我们认为，这也是仿生硅化逐渐从一个材料合成问题走向生命信息工程问题的关键。

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AMR：从早期细胞硅化到今天提出“结构—信息—活性”的完整框架，团队的技术路线发生了怎样的变化？

朱伟教授团队：

如果沿着这一领域的发展过程来看，我们认为一个非常明显的变化，就是关注的问题不断从“能否硅化”走向“硅化以后究竟发生了什么”。早期的工作首先解决的是材料构筑问题。例如传统sol–gel技术证明了可以在相对温和的条件下形成二氧化硅，但它存在一个非常典型的矛盾：硅酸缩合速度、溶胶稳定性和细胞相容性往往很难同时达到最优。随后，蛋白质和多肽导向的硅化开始借鉴硅藻中的生物矿化机制，使硅酸能够在特定界面快速成核和缩合。这一步实际上非常重要，因为它意味着人工硅化开始从随机沉积转变为人为诱导的可控矿化。在此基础上，研究进一步进入完整细胞体系。一个核心问题是：如果我们希望保护的不只是细胞表面，而是DNA、RNA、蛋白质等胞内信息，那么硅酸必须进入细胞，而且需要在不引起严重信息损伤的情况下，在生物大分子附近形成稳定结构。冷冻硅化就是针对这一问题发展的。通过利用冷冻结冰过程中产生的结构变化促进硅酸进入细胞内部，可以进一步对基因组形成保护。之后的深度硅化则试图解决尺度问题，将这一思路从单细胞继续推进到组织、器官乃至更加复杂的多细胞体系。与此同时，我们也逐渐认识到，保存对象不能只停留在DNA。DNA是一个相对稳定的遗传信息库，而RNA和蛋白质记录的是更动态的生命状态。如果这些动态信息在样本保存过程中被彻底改变，那么即使DNA还完整，也不能真正重建样本原本的生物学状态。所以技术发展的下一步，自然就从结构保存走向多组学信息保存，再进一步走向功能状态保存。例如，在蛋白质层面，我们关注的不仅是蛋白质“有没有”，还要关注其构象和酶活性是否能够保留；在细胞层面，也不再只是要求细胞形貌完整，而开始考虑氧运输、免疫识别、抗原呈递、环境耐受乃至细胞分化是否可以被保护或者重新设计。因此，文章中“structure–information–activity”这三个层次，实际上也对应了仿生硅化技术不断深入生命体系的一个发展过程。

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AMR：文章中非常有意思的一点，是硅化不仅能够“保存”功能，还能够赋予细胞新的功能甚至影响细胞命运。如何理解材料从“保护层”到“功能调控界面”的这一变化？？

作者团队：

这是我们认为仿生硅化值得继续探索的方向之一。如果二氧化硅只是一个被动保护壳，那么它的功能基本上取决于“隔绝外界环境”。但当这个无机层真正进入纳米尺度，并且能够精确控制厚度、力学性质、表面化学和通透性以后，它实际上已经成为细胞微环境的一部分。也就是说，细胞感受到的不再只是原本的液体培养环境，而是一个经过人为设计的无机界面。文章中我们把这种功能上的变化大致归纳为三个层次。第一个层次是维持细胞原有功能。例如在多孔二氧化硅网络中包埋微生物时，适当的孔隙结构既能够阻挡外界损伤，又允许营养物质和代谢物交换，从而延长细胞的生理活性。这时材料主要承担的是保护作用。第二个层次是赋予细胞天然不存在的功能。以红细胞为例，红细胞原本具有非常明确的血型抗原。通过在膜表面构筑约25 nm的无定形二氧化硅界面，可以显著降低A、B和Rh相关抗原被抗体识别的能力。这里二氧化硅并没有改变红细胞的基因，却通过改变细胞与免疫系统之间的界面，获得了新的免疫学表型。类似地，我们此前发展的SupraCell也是利用细胞外骨骼的概念，提高哺乳动物细胞对外界环境的抵抗能力，并进一步在外骨骼上模块化集成其他功能组分。第三个层次则更加主动，即利用无机界面引导细胞行为和命运。例如在间充质干细胞表面进行界面硅化以后，即使不加入传统的成骨诱导体系，也能够促进相关成骨表型。这说明材料界面不只是“保护已经存在的生命状态”，还可能成为一个新的信号输入端，对细胞自身的调控网络产生影响。从这个意义上说，仿生硅化的研究对象正在发生一个很有意思的变化：过去我们主要问“如何让材料适应细胞”，未来可能越来越多地需要问——如何设计一个材料界面，让细胞按照我们期望的方式感知、响应和改变。这也是“生物保存”与“生物工程”开始交汇的地方。

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AMR：您如何看待可控仿生硅化未来的发展？它是否有可能成为一种普适性的生命保存技术？

作者团队：

我们在文章中希望避免一个误解，就是不能因为仿生硅化展示出了很多有趣的能力，就简单地认为它一定优于所有现有保存方式。冷冻保存、玻璃化、冻干、FFPE以及聚合物或水凝胶稳定技术都有各自非常成熟的应用场景。二氧化硅真正具有优势的，是那些同时需要室温稳定、较高的分子可读性以及一定程度可逆性的场景。如果一个体系最重要的要求是立即恢复高度增殖的活细胞，那么传统低温保存可能仍然更合适；如果面对的是非常厚的组织，要求硅酸迅速、均匀、无试剂残留地进入整个组织，现阶段的硅化技术同样还存在明显挑战。因此，我们认为下一阶段至少有三个非常重要的问题需要解决。首先是机制定量化。目前我们已经知道硅酸与生物大分子之间存在氢键、界面水置换、空间限域以及尺寸选择性阻隔等作用，但不同作用分别贡献多少，哪些氨基酸残基更容易诱导硅化，硅化过程中孔径如何动态变化，这些问题仍然需要结合光谱学、分子模拟以及定量界面分析进一步回答。第二个问题是从单细胞向复杂生物体系扩展。细胞、类器官和组织之间存在巨大的尺度差异。进入厚组织以后，扩散梯度、溶剂效应和矿化不均一都会迅速放大。因此，未来不仅需要提高硅化深度，更需要做到空间上可控和均一。第三个问题是标准化和临床转化。如果最终希望进入生物样本库、临床病理和长期生物资源保存，就必须建立非常明确的质量控制指标。例如每一批样本的硅负载量是否一致，孔隙通透性是否一致，脱硅是否完全，对后续PCR、测序、质谱和免疫检测有没有影响，以及硅化和脱硅过程是否会引入新的免疫和代谢扰动。因此，我们更愿意把silica-based encoding看成一个正在形成的技术框架，而不是某一种已经固定下来的保存方法。从更长远的角度看，我们希望它最终能够形成这样一种能力：将一个复杂生命体系在特定时刻的结构、分子信息和功能状态可靠地“写入”材料，在时间维度上稳定保存，在需要时重新读取，并有可能选择性地恢复部分功能。如果能够真正实现这一点，那么生物样本的保存就不再只是“让生命停止变化”，而可能进一步成为一种对生命信息进行存储、读取和重新调用的工程技术。

作者团队简介

朱伟，华南理工大学教授，博士生导师，博士毕业于清华大学化学系，随后分别在荷兰特温特大学、美国桑迪亚国家实验室/新墨西哥大学从事博士后研究。2019年-至今华南理工大学教授，2024年-至今兼职中山大学附属第一医院特聘教授。入选国家高层次青年人才，广西八桂学者（高层次领军人才）和 “珠江人才计划”青年拔尖人才等。研究方向聚焦于“生物-材料功能复合体的可控构筑及医药应用”，深入理解生物-材料界面互作规律，发展新方法，精准、可控构筑多组元、多层次的全新生物-材料功能复合体，实现对生命体复杂行为的理解、仿生、功能超越，乃至发展出全新的生命体，并拓展其在医药领域的应用及转化。

C. Jeffrey Brinker，现为美国新墨西哥大学Distinguished and Regent’s Professor Emeritus，在化学与生物工程系、分子遗传学与微生物学系以及 UNM Comprehensive Cancer Center担任联合职务。长期从事溶胶–凝胶科学及分子前驱体材料合成研究，并开创性地将溶胶–凝胶加工与分子自组装相结合，发展了一系列面向生命健康应用的纳米尺度材料体系。

雷琪，2017年获武汉大学高分子化学与物理博士学位，随后在华南理工大学生物科学与工程学院开展博士后研究，现为广州医科大学附属第二医院教授。主要研究方向包括功能高分子纳米材料、刺激响应型药物与基因递送体系及生物医学工程。

阮婷，华南理工大学生物科学与工程学院博士研究生。主要研究方向为仿生硅化在生物信息保护中的应用，以及基因编辑和转录调控。

林沐雨阳，分别于2024年和2026年获得华南理工大学生物学学士和硕士学位，目前就读于武汉大学。主要研究方向为生物无机工程及面向生物医学应用的活性生物材料。

曹江帆，华南理工大学生物学博士研究生，主要研究方向包括仿生硅化、生物体系与硅基纳米材料界面及相关生物医学应用。

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Silica-Based Encoding of Biological Structure, Information, and Activity

Ting Ruan#, Muyuyang Lin#, Jiangfan Cao#, Qi Lei*, C. Jeffrey Brinker*, and Wei Zhu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/amrcda/article/doi/10.1021/accountsmr.6c00084/5255238

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