基因芯片在食品研究及檢測領域中的應用

于婷婷 韓 飛 周孟良

摘要基因芯片技術是一種多學科交叉融合產生的高新技術,該技術具有高效、大信息量和高特異性的特點,其在食品研究及檢測領域中的運用越來越廣泛。對基因芯片的概念原理及其主要內容作了介紹,并詳述了基因芯片技術在食品領域中的應用現狀和前景。

關鍵詞基因芯片;食品;研究;檢測

中圖分類號X836文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)14-0318-02

食品安全是一個全球性的問題,主要表現為食源性疾病不斷上升,食品加工新技術與新工藝帶來更多不確定性危害。通過科學手段減少或遏制類似事件的發生已經成為一個重要的課題,并具有無限的發展空間。

基因芯片是20世紀90年代在生命科學領域中迅速發展起來的一項高新技術。它是一項基于基因表達和基因功能研究的革命性技術,并綜合了分子生物學、半導體學、激光、化學染料等領域的最新科學技術,將生物科學與生物信息學很好的聯系起來。目前,基因芯片已在疾病診斷和治療、藥物篩選、農作物的優育優選、司法鑒定、食品衛生監督、環境檢測、國防、航天等領域有著廣泛的應用。近幾年,基因芯片技術也開始在食品領域中運用,包括檢測食品的營養成分,監督食品的衛生、安全和食品質量,保證人類飲食健康,并將對整個食品領域起到更加深遠的影響。

1基因芯片技術

1.1概念和原理

基因芯片又叫DNA芯片(DNA chip)、DNA陣列(DNA micro chip)、DNA微級陣列(DNA microarray)等,是生物芯片的一種[1]。基因芯片的原理是采用光導原位合成或微量點樣等方法,將大量核酸片段或多肽分子等生物樣品有序地固化于支持物(玻片、硅片等載體)表面,組織成密集二位分子排列,然后與已標記的待測生物樣品中靶分子雜交,通過特定的儀器,如激光共聚焦掃描儀或電荷偶聯攝像機,對雜交信號的強度進行快速、并行、高效地檢測分析,從而判斷樣品中靶分子的種類和數量[2]。

1.2基因芯片的特點

1.2.1自動化程度高。隨著基因工程技術的發展和各學科的交叉滲透,基因芯片技術中從基因探針的構建到目的基因的檢出都在很大程度上實現了自動化[3]。這樣不僅保證芯片制造質量穩定,而且使研究結果更加準確、客觀,也使得實驗時間大大縮短,操作更加簡便[4]。

1.2.2檢測多樣性。由于基因芯片技術的發展,能在單個芯片上放置幾千幾萬個基因探針,可在單個芯片上進行樣本的多方面分析比較,排除一系列復雜因素導致的各比較實驗的內在差異。

1.2.3應用范圍廣。由于基因芯片的許多優點,其僅發展短短幾十年就在生物學、醫學、法學、農業、環保和食品科學等領域取得豐碩的成果。基因芯片應用于基因組測序是基因芯片最早的用途之一,它還用于基因表達分析、尋找新基因等方面[5];基因芯片在醫學上主要應用于疾病的診療;此外,基因芯片還被應用于對環境微生物群落的生理狀態、活動、組成等方面進行檢測;基因芯片技術在法醫鑒定方面也得到有效應用。

2基因芯片在食品領域中的應用

2.1在食源性治病微生物檢測方面的應用

食品最常見的污染是微生物污染,這些致病微生物的存在會嚴重影響人類的健康。因此,食品中病原性微生物的檢測是食品衛生檢測中的重要一步。傳統的細菌檢測法(細菌培養、生化鑒定、血清分型)操作繁瑣,需數天時間才能得到結果,且靈敏度不高,使得食品的安全檢測存在一定的危險。PCR法快速靈敏,但成本高,假陽性多,1次只能檢出1種致病菌,對存在大量未知菌或有多種細菌污染的食品顯得無從下手。基因芯片技術在微生物研究領域的成功經驗,為其用于食品微生物特別是致病菌的檢測打下了基礎[6-8],如用于檢測霍亂弧菌、副溶血弧菌、單曾李斯特菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、各種E.coli 0157∶H7的分離物、炭疽桿菌、結核桿菌、SARS病毒、禽流感病毒等。

基因芯片診斷病原細菌的原理是基于細菌的16S rDNA基因的高度保守。Appelbaum[9]在對幾種細菌進行鑒別時設計了一種鑒別診斷芯片,一方面,從高度保守基因序列出發,另一方面,選擇同種細菌不同血清型所特有的標志基因為靶基因,固著于芯片表面,同時還含有細菌所共有的16S rDNA保守序列以確定為細菌感染標志,不僅操作簡單重復性好,并且靈敏度高于傳統方法。Borucki等[10]構建的混合基因組微陣列可準確鑒別各種近緣單核增多李斯特菌分離物。Anthoney等[11]建立了一個在4h內便可檢測和識別出微生物的方法,此方法首先通過PCR法擴增細菌核糖體23S rDNA,然后將擴增產物與含有特定寡核苷酸探針的芯片進行雜交,再通過檢測系統進行識別,該法對158例經血培養定位陽性的樣品進行檢測,其結果符合率為79.7%。李文軍等[12]建立了以基因芯片技術為基礎的、水中常見致病菌的快速檢測與鑒定技術。基因芯片專一性好,能夠對食品中污染的微生物實現快速的在線檢測,及時反映食品中存在的問題,為危害分析的關鍵控制點提供可行性的權威檢測結果。

2.2在轉基因食品檢測方面的應用

自1994年美國第1個轉基因產品進入市場以來,轉基因食品越來越多的展現在人們面前。一方面,由于對其可能導致的不可預期的結果擔憂,另一方面,出于對消費者所購商品知情權的維護,因此,無論是生產廠家還是監督部門都需要一種準確高效的轉基因食品檢測手段。以往的檢測方法有PCR檢測法、化學組織檢測法、酶聯免疫吸附法和生物測定檢測法等。但這些方法只能對單個檢測目標進行檢測,并存在假陽性或時間周期長等問題,而基因芯片通過設計不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術具有很高的應用價值,具有高通量、微型化、自動化和信息化的特點,可彌補傳統方法在轉基因食品檢測中的不足。Mariotti等[13]介紹了一種用于轉基因食品檢測、基于DNA雜交原理的生物芯片SPR(Surface plasm on resonance)。單鏈DNA(ssDNA)探針被固定在SPR裝置芯片上,探針與目的成分序列的雜交可被監控。含有轉基因目的序列的樣品經PCR擴增后,利用SPR生物芯片檢測,可定量出樣品中含2%的轉基因大豆粉。此芯片的研制也為基因芯片檢測食品中的GMO提供了有益借鑒。繆海珍采用基因芯片對大豆、玉米、油菜、棉花等轉基因農作物樣品進行檢測,從而對大豆、玉米、油菜、棉花等4大類農作物的轉基因進行了有效檢測,結果表明:該基因芯片范圍廣,可適應于不同樣品的不同生物學背景。

基因芯片技術不但可以對轉基因食品進行定性檢測,還可以定量的檢測其種類,在轉基因食品檢測方面具有深遠意義。

2.3在獸藥殘留檢測方面的應用

近年來,獸藥在畜牧業中的應用日益廣泛,但獸藥殘留對人體及環境會造成很多種危害,包括慢性、遠期和蓄積性等疾病,如致癌、發育毒性、體內蓄積、免疫抑制、致敏和誘導耐藥菌株等。動物性食物中獸藥殘留已成為公認的農業和環境問題。目前,獸藥殘留常規的檢測方法包括儀器方法、微生物法、酶聯免疫法等。儀器法存在儀器昂貴、方法復雜、操作繁瑣、試劑消耗量大等局限性,微生物法存在檢測靈敏度低、準確性差和檢測速度慢等特點,酶聯免疫法可以快速、高靈敏度、高準確性地檢測樣品,但每次檢測只能針對單種獸藥。對于大量樣品的初篩和日常的監測工作則需要更簡便快捷的檢測方法[14]。

博奧生物已經開發出獸藥殘留芯片檢測平臺,該平臺系統可定量檢測出豬肉、豬肝、雞肉、雞肝等組織中10種獸藥殘留量,具有前處理簡單、特異性好、檢測速度快、檢測通量高、控制體系嚴密等優點,可廣泛應用于進出口檢驗、常規篩檢等領域。

2.4在研究食品毒理學中的應用

傳統的食品毒理學研究是通過動物實驗模式來進行模糊評判,它們在研究毒物的整體毒性效應和毒物代謝方面具有不可替代的作用,但是所用的動物模型由于種屬差異,得出的結果往往并不適宜推用至人體,所以傳統的動物實驗僅僅是一種粗糙、不精確的方法。美國環境衛生科學研究所的研究小組已經開發出一種革命性的工具——毒理芯片[15]。雖然不能完全取代動物,但它可以提供有價值的信息,以免做許多不必要的生物實驗。基因芯片可以同時對幾千個基因的表達進行分析,為研究新型食品資源對人體免疫系統影響機理提供完整的技術資料,并通過對單個或多個混合體有害成份分析,確定該化學物質在低劑量條件下的毒性,并且分析推斷出該物質的最低限量[16]。

2.5在抗生素耐藥檢測中的應用

目前,養殖行業還缺少對抗生素耐藥檢測的手段,藥物的使用憑借經驗用藥和多抗生素混合用藥,而帶來的問題是需要不斷地尋找新藥,并且耐藥菌越來越多,基因芯片技術將會給這個問題的解決帶來新的途徑。博奧生物開發的用于細菌鑒定和耐藥檢的測基因芯片,在鑒定細菌的同時可完成耐藥檢測,為抗生素耐藥檢測提供了方案。

2.6在研究食品營養機理中的應用

很多食品具有預防疾病的功效,但營養機理尚不清楚。研究疾病發生的基因表達和單核苷酸多肽性,有利于總結疾病預防治療與營養素、基因產物之間存在的微妙關系,完成此項目工作需要依賴高效的生物技術。基因芯片技術將在食品營養研究領域中發揮重要作用,利用基因芯片技術研究營養素與蛋白質和基因表達的關系,為揭示抗病和預防機理提供依據。如營養與腫瘤相關基因表達的研究(抑癌基因表達與突變),營養與腦血管疾病關系的分子學研究;營養與高血壓、糖尿病和免疫系統的分子水平研究等。

2.7在食品領域其他方面的應用

在動物疫病病原菌的檢測方面,已開發了分別用于馬毒性動脈炎病毒(EAV)、非洲馬瘟病毒(AHS)、馬鼻肺炎病毒(EHV-4)、馬冠狀病毒(ECV)和西尼羅熱病毒(WNV)等5種馬病毒檢測和犬病病毒檢測的基因芯片。在植物檢疫病原生物和害蟲的檢測方面,李淼等[17]研究了基因芯片技術在植物病害研究中的應用;吳興海等[18]分析并預測了基因芯片在檢疫性植物病原菌、植物病毒、病原真菌、雜草、昆蟲及線蟲檢測等方面的應用前景。除此之外,基因芯片技術還可應用于食品領域的其他多個方面,如肉制品的動物種類成分鑒別和生物恐怖因子檢測等。

3展望

基因芯片技術正日新月異的發展起來,在食品中的應用也成為新的研究熱點。基因芯片技術作為一種高效、敏感檢測基因表達方法,能較系統的分析真核細胞的基因表達,從而應用于諸多領域中。基因芯片技術在食品科學領域的

發展,將為人類的營養健康做出無法估量的貢獻。

4參考文獻

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