登上Cell子刊封面：复旦大学贾慧珏团队开发微生物原位单细胞组学新技术|原位单细胞组学|复旦大学|微生物|细菌|贾慧珏|转录组

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

宏基因组学（Metagenomics）的发展，使我们能够解析不同环境中的微生物组成及其功能潜能。

近日，复旦大学贾慧珏作为共同通讯作者（复旦大学蓝希红、梁桥星及广州医科大学附属番禺中心医院何金花为论文共同第一作者）在 Cell 子刊Cell Genomics上发表了题为：Microbial single-cell omics in situ 的研究论文。

该研究在人体共生微生物组学方向，将宏基因组首次推进到微生物单细胞组学，利用激光诱导前沿转移（Laser-induced forward transfer，LIFT）技术，成功从小鼠肠道、人类唾液及肿瘤组织切片等复杂样本中获取了高质量的微生物单细胞基因组与转录组数据。

封面图片展示了一个原生群落中的多种微生物，两簇蓝色线条代表细菌基因组，两条米色曲线代表细菌转录组。在这项研究中，研究团队报道了一种基于激光的微生物单细胞方法，该方法可以从复杂样本中获取高质量的基因组或转录组，同时保留细胞的空间信息和图像。

哺乳动物细胞的单细胞转录组分析正在帮助我们了解组织内的细胞类型，而最近，空间组学技术进一步推动了这些见解的发展。由于细菌细胞中的核酸浓度比真核生物低很多倍，且缺乏用于 mRNA 扩增的长 poly(A) 尾，因此，对细菌细胞进行单细胞组学研究更具挑战性。此外，液滴微流控技术的泊松分布降低了有效包含单个细胞的液滴数量，尤其是在需要液滴融合的情况下。海洋蓝细菌是最早使用单细胞基因组进行分析的细菌之一。来自极端环境的微生物单细胞基因组揭示了未培养细菌和古菌的基因组特征。除了低多样性群落外，微生物单细胞研究大多在模式生物（例如大肠杆菌）中进行，并使用靶向方法分析基因组或转录组。

激光诱导前沿转移（Laser-induced forward transfer，LIFT）是一种操控微粒（包括细胞）的简便方法。通过利用激光束蒸发或使薄金属涂层发生形变，LIFT 技术非常适用于捕获细菌尺寸范围内的微粒（例如，典型的大肠杆菌细胞尺寸为 2×0.5 微米）。可将荧光或同位素标记与 LIFT 技术结合使用，以辅助细胞筛选。该方法对复杂样本的前处理要求极低，因此有可能耐受人类微生物组中常见的干扰物（例如食物颗粒和细胞碎片），而这些干扰物可能会影响基于液滴微流控技术的分析结果。

对低生物量原核环境（例如肿瘤和胎盘）的宏基因组分析成本高昂且存在争议。因此，采用直接方法来表征由超过99.9%宿主序列组成的组织内的微生物，能够为存在于多细胞真核宿主内的细菌或其他微生物细胞提供相关信息。

在这项最新研究中，研究团队提出了一种利用市售光学设备进行微生物单细胞基因组和转录组测序的方法，并验证了该方法在多种场景下的实用性——从纯培养物的单细胞异质性研究，到复杂宿主微生物组样本及组织切片分析。

具体来，研究团队利用激光诱导前沿转移（LIFT）技术，成功从小鼠肠道、人类唾液及肿瘤组织切片等复杂样本中获取了高质量的微生物单细胞基因组与转录组数据。

该单细胞方法可直接分析空间位置相邻的细菌细胞或细菌与宿主细胞的相互作用。通过对小鼠及人类样本中的细菌细胞进行荧光标记，实现了单细胞水平的可视化精准捕获。高质量的单细胞转录组结果能够解析芽孢杆菌的孢子形成过程中的细胞命运决定，并从一个结直肠癌样本中分离出一个拟杆菌单细胞，对对其基因表达进行了初步表征，发现其表达的 nicX 基因参与尼古丁降解，提示了该细菌可能在吸烟者的肠道微环境中发挥作用。