【介绍】

在自然界中，生物硅化作用可指导精细无定形二氧化硅外骨骼的形成，该外骨骼为硅藻提供了机械强度高，化学惰性，不可分解的二氧化硅装甲，赋予了化学和热稳定性以及对微生物侵袭的抵抗力，而不会改变光学透明度或对养分和废物产生不利影响增长所需的交换。这些非凡的二氧化硅/细胞生物复合物启发了数十年的仿生研究，旨在复制硅藻的层级有组织的外骨骼，将细胞或活生物固定在二氧化硅基质和涂层中，以保护它们免受有害的外部压力，凭借细胞功能进行基因重编程物理化学限制在二氧化硅内，细胞整合到装置中以及通过容易的二氧化硅功能化，赋予具有非天然非生物特性的细胞天赋。

【科研摘要】

最近，华南理工大学朱伟教授，美国新墨西哥大学Jimin Guo教授和Jeffrey Brinker院士团队在《JACS》上发表题为Bioinspired Cell Silicification: From Extracellular to Intracellular的论文。团队将讨论的重点放在生物启发性细胞硅化的发展和随之而来的挑战上，从“封装在3D二氧化硅基质中的细胞”和“封装在2D二氧化硅壳中的细胞”到细胞外和细胞内二氧化硅复制，其中所有生物分子界面都是包裹在无定形二氧化硅的纳米层中。团队重点介绍了生物硅化科学技术进步的显着例子，并考虑了推进该领域的挑战，在该领域中，提出了将细胞“矿化”与任意纳米颗粒外骨骼作为赋予细胞无限的非生物特性和功能的通用手段，并基于由于水和硅酸的互换性以及无定形冰和无定形硅石之间的相似性，作者认为“冻结”无定形硅石中的细胞可作为冷冻保存的替代方法。

【主图导读】

图1.(A)硅藻硅石结构的多样性。(B)右图:中心硅藻壳的示意图，其硅石壁的截面轮廓通常由三个重叠的多孔层组成。左:Coscinodiscus sp。的SEM图像。在这些层上的孔结构的AFM图像上会产生挫折感。

图2.(A)常规的溶胶-凝胶法构建二氧化硅细胞基质及其缺点。(B)在不同pH值下的溶胶稳定性和胶凝时间曲线。

图3.(A，B)通过直接在多孔碳涂层的铜栅上旋涂而固定在纳米结构脂质/二氧化硅基质中的细胞的TEM图像。(C)用1%取代的荧光标记脂质类似物(diC6 PC-NBD)固定化细胞的共聚焦荧光图像。(D)脂质包裹的CdSe纳米晶体在细胞表面迅速浓缩并在24 h内在化，正如细胞内的红色荧光所表明的那样。(E)向酵母中仅添加diC6 PC的BR(1%NBD标记的diC6 PC，绿色发光);(F)BR掺入DMPC脂质体中(1%NBD标记的POPC，绿色发光)，并添加diC6 PC到酵母中;(G)将BR蛋白脂质体添加到diC6 PC/酵母溶液中，导致BR优先定位在酵母细胞表面附近，从而形成了含BR的多层囊泡。

图4.(A)多胺的结构。(B)PDADMA/PSS多层介导的酵母@ SiO2在不同放大倍数下的SEM显微照片(比例尺= 1μm)。(C)切片机酵母@ SiO2的TEM显微照片也证实了二氧化硅壳的存在，放大的显微照片(插图)表明二氧化硅壳的厚度在50 nm以上。(D)切片机蓝藻的TEM显微照片。(F)使用光学显微镜和SEM观察的聚集的拟南芥细胞。(G)的SEM显微照片R4C12R4肽介导的酵母@ SiO2在不同的放大倍数下。(H)切片机酵母@ SiO2的TEM显微照片。

图5.(A)基于模块化功能性mSiO2 NP基外骨骼的SupraCell结构。(B)基于三种不同的荧光mSiO2纳米构件(mSiO2-1-2-3)的多荧光SupraCell的共聚焦图像。Supra-Raw 264.7细胞-UiO-66-NH2(C)和Supra-HeLa细胞MET-3(Fe)(D)的SEM图像。(E)通过直接，多齿配体(鞣酸)辅助的MOF纳米构件在RBC膜表面的超组装形成装甲RBC的示意图。

图6.左图:(A)快照显示POPC脂质双层被SI1二氧化硅簇穿过。(B)跨膜蛋白组织到SDV膜中的示意图，显示了磷酸化丝氨酸与SDV腔内的长链多胺(LCPA)或硅蜡的相互作用以及通过细胞质结构域与细胞质蛋白的相互作用。(C)形状和位置 接近质膜(黑色)的SDV的SDV(SDV膜显示为黄色)被认为是受细胞骨架(紫色)控制的。