近日，浙江大学傅维琦教授团队联合国内外研究人员在国际权威期刊《可持续视野》（Sustainable Horizons）发表了一项题为“Bioinspired cell silicification of the model diatom Phaeodactylum tricornutum and its effects on cell metabolism”的研究成果。该前沿研究首次报道了硅藻的单细胞转录组测序，并系统揭示了硅化过程对海洋模式硅藻三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）生理与代谢的影响。研究显示，经过基因工程改造的硅化细胞，在铁缺乏蛋白基因的表达上显著增强，揭示了生物硅化可能重塑细胞的关键特性。

此外，团队通过仿生技术，利用R5多肽制成人工硅层并包裹三角褐指藻细胞。结果表明，经过硅化的微藻在UVC辐射等极端环境条件下的耐受性显著增强，在碳中和与环境修复等领域极具应用前景。

文章亮点：

单细胞转录组测序应用：首次通过单细胞转录组测序揭示了硅化过程对海洋模式硅藻三角褐指藻生理与代谢的影响。

仿生硅化技术突破：利用R5多肽催化二氧化硅在三角褐指藻细胞表面沉积，生成人工硅层，显著提升硅藻在极端环境下的耐受性，并促进光合色素的积累。

推动碳中和与环境修复应用：该研究为开发环境适应性强的环保型硅-生物复合材料提供新思路，并为碳中和与环境修复目标的实现提供了有力支撑。

单细胞测序技术的应用，使研究团队能够精确分析每个细胞的基因表达，从而揭示样本内异质性细胞群体的特征。在此次研究中，团队通过单细胞水平的转录组分析，比较了天然非硅化的三角褐指藻细胞与基因工程改造后的硅化细胞。结果显示，硅化后的细胞呈现出铁缺乏蛋白基因的高表达，同时呈现出显著的细胞分化特性。这一发现表明，生物硅化可能重塑了三角褐指藻细胞的关键特性，使其在应对恶劣环境方面展现出适应性优势。

图1. 野生型（WT-Pt）和工程改造型（SG-Pt）三角褐指藻的单细胞转录组聚类图谱与特征基因。

研究团队采用仿生技术，利用R5多肽（一种源自硅藻的硅化多肽）催化二氧化硅在三角褐指藻细胞表面沉积并吸附，形成人工硅层。结果发现，经过硅化处理的微藻在UVC辐射、冷冻和干燥等不利环境条件下表现出显著增强的耐受性，同时类胡萝卜素、叶绿素a和叶绿素c的积累也显著增加。

转录组分析表明，硅化细胞在应激条件下会激活一系列细胞损伤修复通路，以适应人工硅层的包覆。虽然人工硅化抑制了细胞分裂，但显著促进了叶绿素a等光合色素的合成，从而提高了光合作用效率。研究团队提出，通过基因编辑协调硅化水平与细胞分裂，可进一步优化增强硅藻的生长与代谢功能。而仿生硅化技术可有效增强硅藻的抗逆性与色素积累，同时对细胞分裂的影响较小，在生物传感器和药物递送系统开发等领域有广阔应用潜力。

总结

研究结果不仅为开发具备增强环境适应性的纳米硅-生物复合材料提供了新思路，也将助力实现碳中和与可持续发展目标。通过无害的化学和生物硅化手段实现细胞的体外硅化，不仅能增强其环境适应性和色素积累，还能为应对环境胁迫提供有效手段，增强海洋初级生产力和固碳潜力，推动碳中和目标的实现。

研究工作受到浙江省尖兵领雁项目和基金委区创联合基金重点项目等的资助。浙江大学海洋学院为论文第一完成单位，博士研究生陈季威为第一作者，海洋学院傅维琦研究员和大数据中心蒋杭进研究员为论文共同通讯作者。

论文链接：

Jiwei Chen, Cheng Qian, Yuexuan Shu, Kourosh Salehi-Ashtiani, Jin Shang, Hangjin Jiang, Weiqi Fu. (2025) Bioinspired cell silicification of the model diatom Phaeodactylum tricornutum and its effects on cell metabolism, Sustainable Horizons, 14, 100127. https://doi.org/10.1016/j.horiz.2024.100127.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772737824000385

  • 信息来源：浙江大学海洋学院。
    转载请注明信息来源及海洋知圈编排。