PNAS：给活细胞穿上“玻璃铠甲”，华南理工大学朱伟等团队通过低温硅化让细胞变硬两代后再复原

在自然系统中，性状与功能通过遗传机制跨代稳定传递，构成了生物延续与进化的基础。基因编辑、蛋白质工程与定向进化以及RNA编辑等精准生物技术的进步，使得在遗传水平上对生命系统进行理性重编程成为可能，从而能够定向改造那些曾被认为不可改变的天然性状与功能。

然而，在这些遗传机制之外，一种正在兴起的新范式重新定义了生物适应性的范畴。材料介导的生物功能强化——即外源材料通过物理和化学方式与生命系统偶联以增强细胞性能的过程——构成了一种非遗传的、但具有高度可塑性的生物调控模式。

材料作为人工进化驱动因子，能够瞬时赋予细胞增强的抗氧化能力、膜稳定性以及代谢效率，揭示出超越遗传决定论的功能可塑性的一个新维度。

一个核心问题在于，材料诱导的增强效应是否具有可遗传行为。与遗传重编程不同，材料介导的生物功能强化主要源于可逆的界面交互作用以及应激响应信号网络的动态激活，而非永久性的基因组修饰。

在细胞水平上，材料偶联已被证明能够通过物理诱导、化学键合或生物学交互作用来调控膜组织、细胞骨架结构和代谢状态，从而在材料暴露期间重塑细胞功能。一个核心问题是，这种材料诱导的增强效应能否超越瞬时的表型调控，并在细胞分裂过程中持久存在。

尽管目前尚无直接证据表明材料增强的表型具有稳定的代际遗传性，但在相关领域（如机械记忆、代谢启动和应激适应）的大量研究表明，瞬时的物理或化学信号能够引发由表观遗传调控或代谢重构所介导的延迟性或持续性细胞反应。

因此，确定材料驱动的生物可塑性是否以及如何在细胞分裂过程中得以维持，构成了材料-生物混合系统中的一个关键知识空白。解答这一问题将有助于厘清可逆表型调控与可遗传适应之间的概念边界，同时为合理设计具有适应性、可编程性以及模拟进化特征的生物指导性材料奠定基础。

图1.硅细胞结构示意图和细胞行为的非遗传调控（摘自

PNAS

）

生物硅化是生物体通过严格调控的硅摄取、转运和沉积过程，在细胞或组织水平上生成无机结构的过程。典型的例子包括硅藻和硅质海绵中高度有序的硅质外壳，这凸显了无机相与生命系统之间的高效偶联与功能协调。

相比之下，哺乳动物细胞尽管拥有精密的感知、信号传导和代谢调控网络，但其结构脆弱，对环境因素的波动极为敏。在此背景下，单细胞尺度的生物硅化为研究无机结构如何在活体哺乳动物细胞内组装和容纳，以及检验材料介导的生物强化是否能表现出类似遗传性的特征，提供了一个易处理的模型。

然而，目前针对活体哺乳动物细胞存在的硅化策略，主要依赖于聚乙烯亚胺（PEI）介导的界面二氧化硅沉积。尽管该方法能够在细胞表面形成二氧化硅涂层并实现初步的无机-有机杂化，但沉积仅限于外膜。这一局限性限制了二氧化硅的细胞内渗透与整合，最终阻碍了更高级、更具层次结构的无机-有机混合系统的形成。

在本研究中，作者引入了“硅化细胞（Silicacytes）”的概念，通过一种冷冻诱导的细胞低温硅化策略实现无机二氧化硅与哺乳动物细胞的深度整合——该整合范围从细胞外界面延伸至细胞内空间，同时保持高细胞活力。

快速冷却使细胞进入一种可逆的休眠状态，其特征是代谢活性显著降低。在冷冻保存过程中，冷冻保护剂可减轻冷冻相关的损伤，而瞬时冰晶形成可短暂破坏质膜，从而在一个狭窄的时间窗口内促进硅酸前体向细胞内渗透。

解冻后，在细胞内和细胞外积累的原硅酸经历蛋白质介导的界面缩合，生成一层共形、无定形的二氧化硅网络，包裹并渗透进细胞结构。所得到的硅化细胞展现出若干决定性特征：1）结构强化：与未经处理的细胞相比，硅化细胞的机械强度增加了2.5倍，赋予其对极端环境胁迫（包括渗透压挑战、机械剪切力和氧化损伤）显著的抵抗力；2）细胞行为调控：二氧化硅网络整合的程度可调节细胞粘附、增殖和运动能力；3）功能性可遗传性的显现：在两到三次细胞分裂后，二氧化硅在子细胞中的逐步分配使得细胞群体比未经处理的对照细胞保留更大的结构稳定性和胁迫抵抗力；以及4）技术通用性：低温休眠硅化策略广泛适用于多种哺乳动物细胞类型，包括免疫细胞。

综上所述，这种低温诱导的休眠硅化方法不仅能够在高度动态和严苛的体外条件下维持细胞活力，而且赋予了增强细胞功能的假性可遗传连续性。二氧化硅-细胞混合体在多次增殖周期中仍能保持对恶劣刺激的高度适应力，从而显著拓展了在体外进行复杂细胞操作的操作窗口。

参考消息：https://doi.org/10.1073/pnas.2604560123