微生物组与人类健康、疾病以及各种工业过程都有着密不可分的联系。微生物单细胞 RNA 测序技术的出现，为细胞水平上解析微生物群落的复杂性提供了可能，能够深入探究微生物的异质性及其功能差异。然而，现有的高通量微生物单细胞 RNA 测序方法存在多次离心步骤会导致微生物大量丢失，不仅降低了样本的回收率，还引入了偏差。这种问题在处理临床微生物组样本时尤为明显，因为这些样本往往微生物含量较低，难以满足现有技术的微生物起始量要求。

2025年4月8日，良渚实验室王永成课题组在《Advanced Materials》上发表题为“Fast encapsulation of microbes into dissolvable hydrogel beads enables high-throughput microbial single-cell RNA sequencing of clinical microbiome samples”的文章，开发了一种名为 smGel-seq 的高通量微生物单细胞 RNA 测序技术，通过将单个微生物包裹在可溶解水凝胶微球中显著提高了微生物的回收率，降低了样本输入需求，并成功应用于对临床肠道和痰液微生物样本。同时这篇文章荣幸地被期刊编辑部选为“editor's choice”。

smGel-seq 技术简介

smGel-seq 的核心创新在于将单个微生物封装在可溶解的水凝胶微球中，从而显著减少微生物在离心过程中的丢失。团队设计了一种新型的微通道阵列装置，能够高效地生成水凝胶微球。在 smGel-seq 的工作流程中，首先将固定后的微生物与聚丙烯酰胺溶液混合，通过微通道阵列装置将其隔离成水包油滴，从而在其中形成包裹单微生物的水凝胶微球。随后，在离心管中对水凝胶微球进行经过一系列反应，包括逆转录、加polyA尾等步骤。在单个微生物标记反应中，将水凝胶微球与带有条形码的珠子一起封装到水包油滴中，通过延伸反应为每个微生物添加条形码。最后，通过二硫苏糖醇（DTT）快速溶解水凝胶微球释放出 cDNA 库，经过纯化和 PCR 扩增后，构建最终的 cDNA 文库进行高通量测序。

图1. smGel-seq 技术流程。

临床应用潜力

团队使用smGel-seq 以传统高通量方法 1/20 的低微生物起始量成功处理了临床肠道微生物组样本进行高通量微生物单细胞RNA测序，展示了该技术处理探索复杂微生物群落的能力。更令人振奋的是，smGel-seq 首次实现了临床痰液微生物组样本的高通量微生物单细胞 RNA 测序。这一样本类型由于其低微生物含量和复杂的基质，此前一直难以进行单细胞测序。然而，smGel-seq 不仅成功检测到了痰液样本中的致病菌鲍曼不动杆菌，还揭示了该菌株的两个亚群之间的显著差异。其中一个亚群可能在环境适应性、抗生素抗性和致病性方面发挥关键作用。这些发现为精准诊断和治疗提供了数据支持，有助于我们更好地理解病原菌的耐药机制和致病性。

图2. smGel-seq 在临床微生物样本上的应用。

未来展望

smGel-seq 的出现为微生物组研究和临床诊断带来了新的希望。它不仅能够减少微生物丢失，降低样本输入需求，还能够提高样本兼容性，尤其适用于临床样本。未来，smGel-seq 有望在更多类型的临床微生物组样本中得到应用，例如呼吸道、皮肤、口腔等部位的微生物组，为个性化医疗和精准医学提供支持。