撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

宏基因組學(xué)（Metagenomics）的發(fā)展，使我們能夠解析不同環(huán)境中的微生物組成及其功能潛能。

近日，復(fù)旦大學(xué)賈慧玨作為共同通訊作者（復(fù)旦大學(xué)藍希紅、梁橋星及廣州醫(yī)科大學(xué)附屬番禺中心醫(yī)院何金花為論文共同第一作者）在 Cell 子刊Cell Genomics上發(fā)表了題為：Microbial single-cell omics in situ 的研究論文 。

該研究在人體共生微生物組學(xué)方向，將宏基因組首次推進到微生物單細胞組學(xué)，利用激光誘導(dǎo)前沿轉(zhuǎn)移（Laser-induced forward transfer，LIFT）技術(shù)，成功從小鼠腸道、人類唾液及腫瘤組織切片等復(fù)雜樣本中獲取了高質(zhì)量的微生物單細胞基因組與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。

封面圖片展示了一個原生群落中的多種微生物，兩簇藍色線條代表細菌基因組，兩條米色曲線代表細菌轉(zhuǎn)錄組。在這項研究中，研究團隊報道了一種基于激光的微生物單細胞方法，該方法可以從復(fù)雜樣本中獲取高質(zhì)量的基因組或轉(zhuǎn)錄組，同時保留細胞的空間信息和圖像。

哺乳動物細胞的單細胞轉(zhuǎn)錄組分析正在幫助我們了解組織內(nèi)的細胞類型，而最近，空間組學(xué)技術(shù)進一步推動了這些見解的發(fā)展。由于細菌細胞中的核酸濃度比真核生物低很多倍，且缺乏用于 mRNA 擴增的長 poly(A) 尾，因此，對細菌細胞進行單細胞組學(xué)研究更具挑戰(zhàn)性。此外，液滴微流控技術(shù)的泊松分布降低了有效包含單個細胞的液滴數(shù)量，尤其是在需要液滴融合的情況下。海洋藍細菌是最早使用單細胞基因組進行分析的細菌之一。來自極端環(huán)境的微生物單細胞基因組揭示了未培養(yǎng)細菌和古菌的基因組特征。除了低多樣性群落外，微生物單細胞研究大多在模式生物（例如大腸桿菌）中進行，并使用靶向方法分析基因組或轉(zhuǎn)錄組。

激光誘導(dǎo)前沿轉(zhuǎn)移（Laser-induced forward transfer，LIFT）是一種操控微粒（包括細胞）的簡便方法。通過利用激光束蒸發(fā)或使薄金屬涂層發(fā)生形變，LIFT 技術(shù)非常適用于捕獲細菌尺寸范圍內(nèi)的微粒（例如，典型的大腸桿菌細胞尺寸為 2×0.5 微米）?？蓪晒饣蛲凰貥?biāo)記與 LIFT 技術(shù)結(jié)合使用，以輔助細胞篩選。該方法對復(fù)雜樣本的前處理要求極低，因此有可能耐受人類微生物組中常見的干擾物（例如食物顆粒和細胞碎片），而這些干擾物可能會影響基于液滴微流控技術(shù)的分析結(jié)果。

對低生物量原核環(huán)境（例如腫瘤和胎盤）的宏基因組分析成本高昂且存在爭議。因此，采用直接方法來表征由超過99.9%宿主序列組成的組織內(nèi)的微生物，能夠為存在于多細胞真核宿主內(nèi)的細菌或其他微生物細胞提供相關(guān)信息。

在這項最新研究中，研究團隊提出了一種利用市售光學(xué)設(shè)備進行微生物單細胞基因組和轉(zhuǎn)錄組測序的方法，并驗證了該方法在多種場景下的實用性——從純培養(yǎng)物的單細胞異質(zhì)性研究，到復(fù)雜宿主微生物組樣本及組織切片分析。

具體來，研究團隊利用激光誘導(dǎo)前沿轉(zhuǎn)移（LIFT）技術(shù)，成功從小鼠腸道、人類唾液及腫瘤組織切片等復(fù)雜樣本中獲取了高質(zhì)量的微生物單細胞基因組與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。

該單細胞方法可直接分析空間位置相鄰的細菌細胞或細菌與宿主細胞的相互作用。通過對小鼠及人類樣本中的細菌細胞進行熒光標(biāo)記，實現(xiàn)了單細胞水平的可視化精準(zhǔn)捕獲。高質(zhì)量的單細胞轉(zhuǎn)錄組結(jié)果能夠解析芽孢桿菌的孢子形成過程中的細胞命運決定，并從一個結(jié)直腸癌樣本中分離出一個擬桿菌單細胞，對對其基因表達進行了初步表征，發(fā)現(xiàn)其表達的 nicX 基因參與尼古丁降解，提示了該細菌可能在吸煙者的腸道微環(huán)境中發(fā)揮作用。

總的來說，該方法具有可擴展性強、精度高的特點，為深入研究微生物群體及其與宿主的單細胞互作機制提供了強大工具。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(25)00384-2