Cell子刊 | 贾慧珏教授团队应用LIFT技术实现微生物原位单细胞组学突破

2026年1月22日，复旦大学、粤港澳大湾区精准医学研究院贾慧珏教授团队在《Cell Genomics》期刊发表了题为“Microbial single-cell omics in situ” 的论文。

本研究提出将激光诱导向前转移（LIFT）应用于微生物单细胞组学研究中，并首次实现基于LIFT分选的微生物单细胞转录组测序，完成对复杂样本与组织切片中微生物的高质量、原位单细胞组学分析。长光辰英核心产品——PRECI SCS-R300单细胞拉曼分选仪为本研究提供了集形态学识别、拉曼光谱检测与智能数据分析、单细胞可视化分选的一体化平台，为微生物单细胞的原位识别、活性评估、精准分选与下游培养及测序提供了关键技术支撑，实现了微生物单细胞研究向空间定位、多模态信息整合的跨越。

微生物单细胞研究是揭示种群异质性、基因表达动态及宿主-微生物互作的关键。然而，传统宏基因组学无法获取单细胞分辨率信息，现有单细胞技术亦受限于核酸含量低、需液滴包裹、难以处理复杂样本等问题。因此，发展一种能够原位、无标记、多模态整合的微生物单细胞分选与组学平台，已成为推动微生物功能解析、临床转化及环境微生物学研究的重要突破口。本研究基于激光诱导向前转移（LIFT）技术，首次实现了在复杂样本与组织切片中对微生物单细胞进行形态‑光谱‑空间信息融合的原位多组学分析，为微生物单细胞研究提供了全新的方法论支持。

本研究建立了一套基于激光诱导向前转移（LIFT）的微生物单细胞分选与原位组学分析平台，实现对复杂样本（唾液、粪便、土壤）和组织切片（小鼠肠道、人结直肠癌）中目标菌株的非标记拉曼光谱识别与单细胞可视化无损分选，并无缝对接下游单细胞基因组与转录组测序，为微生物原位解析提供单细胞精度的新策略。

样品形态识别、光谱采集和细胞LIFT分选的操作流程

对TADA荧光标记的鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas sp）进行自动化单细胞分选的过程

1. 高质量微生物单细胞基因组获取

从唾液样本中成功分选微生物单细胞，组装获得Megamonas funiformis基因组，完整度达99.99%，污染率仅0.33%，编码密度>90%，达到培养分离株水平。

PRECI SCS-R300的单细胞自动化分选功能，可在1分钟内完成34—62个目标菌的识别与分选，获得的39个微生物单细胞中，4个具有高质量基因组，27个具有中等质量基因组，覆盖口腔主要菌门。

2. 多模态单细胞分析解析孢子的细胞命运决定过程

本研究进一步将LIFT技术应用于微生物单细胞转录组分析中，结合原位拉曼光谱与形态学分析，构建了一个独特的多模态单细胞分析平台。以地衣芽孢杆菌的孢子形成过程为模型，动态解析了细菌在应对环境压力时，细胞命运决定的异质性图谱。

结合拉曼光谱聚类与单细胞转录组，将柠檬酸诱导的地衣芽孢杆菌分为α（杆状）、β（中间态）、γ（孢子）三群，光谱与转录组特征高度一致。该方法不依赖于参考基因组（可进行从头组装），因此既可应用于模式菌，也完全适用于未知或不可培养微生物的研究。

图2.基于形态、拉曼光谱及单细胞转录组分析，揭示地衣芽孢杆菌孢子形成过程中的异质性

3. 组织内微生物的原位组学分析

本研究最具突破性的成果，在于将微生物单细胞组学分析从液体或匀质化样本，拓展至宿主组织内部。成功对定居在小鼠肠道和人类结直肠癌组织切片中的微生物，进行了高精度单细胞分离与原位基因组/转录组测序，首次在真正意义上实现了“在原生微环境中，聆听单个微生物的故事”。

在小鼠肠道切片中，利用Cy3-ADA/Fam-ADA荧光标记细菌，经过单细胞分选与基因组测序，检出典型肠道菌，如Prevotella copri、Bacteroides dorei 等。

在人结直肠癌组织切片中，成功实现Bacteroides intestinalis单细胞基因组与Bacteroides xylanisolvens单细胞转录组分析，后者表达尼古丁降解基因nicX，与患者吸烟史相符。

与液滴微流控、流式细胞术（FACS）等方法相比，PRECI SCS-R300拉曼单细胞分选仪采用LIFT原理，具备单细胞得率高、无需复杂标记、可结合形态/光谱信息筛选（可探索未知微生物）、适用于复杂样本与组织样品、保留空间信息等优势，将成为微生物研究的有力工具。

本研究成功开发了一种基于LIFT技术的微生物单细胞分选与原位组学平台，首次实现了：

• 复杂样本中微生物单细胞的高质量基因组/转录组测序；

• 结合拉曼光谱与形态学的细胞预筛选与状态评估；

• 孢子形成等生物学过程的单细胞分辨率动态解析

• 宿主组织内微生物的原位解析。

该技术为未培养微生物研究、宿主-微生物空间互作、临床肿瘤微生物组分析等领域提供了强大的工具，具有重要的科学研究与转化应用价值。

在本研究中，长光辰英的PRECI SCS-R300拉曼单细胞分选仪充分发挥了其多模态分析与可视化分离的技术优势。仪器集成的形态识别与拉曼光谱检测，实现了对复杂样本及组织切片中微生物的非标记、原位精准筛选；其LIFT分选技术则确保了单细胞水平的高精度、无损分离，保障了下游基因组与转录组测序的高质量完成。通过结合形态、光谱与空间信息，该设备不仅突破了传统方法在样本适应性、标记依赖性与空间信息保留等方面的局限，更实现了从识别、分选到多组学分析的全流程整合，为微生物单细胞原位研究提供了可靠、高效的系统化解法方案。

贾慧珏，复旦大学研究员、博士生导师，专注于微生物组学、单细胞技术与人体健康研究。主要致力于宏基因组参考数据集、菌株集和复杂疾病的研究，把传统上以肠道菌群为主的团队带入口腔、生殖道、尿液等更具挑战的科研与应用领域，完整解析各部位菌群的遗传与环境因素，并把复杂疾病标志物的研究迈入因果关系解释。