基因芯片在食品研究及检测领域中的应用

于婷婷 韩 飞 周孟良

摘要基因芯片技术是一种多学科交叉融合产生的高新技术,该技术具有高效、大信息量和高特异性的特点,其在食品研究及检测领域中的运用越来越广泛。对基因芯片的概念原理及其主要内容作了介绍,并详述了基因芯片技术在食品领域中的应用现状和前景。

关键词基因芯片;食品;研究;检测

中图分类号X836文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)14-0318-02

食品安全是一个全球性的问题,主要表现为食源性疾病不断上升,食品加工新技术与新工艺带来更多不确定性危害。通过科学手段减少或遏制类似事件的发生已经成为一个重要的课题,并具有无限的发展空间。

基因芯片是20世纪90年代在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术。它是一项基于基因表达和基因功能研究的革命性技术,并综合了分子生物学、半导体学、激光、化学染料等领域的最新科学技术,将生物科学与生物信息学很好的联系起来。目前,基因芯片已在疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等领域有着广泛的应用。近几年,基因芯片技术也开始在食品领域中运用,包括检测食品的营养成分,监督食品的卫生、安全和食品质量,保证人类饮食健康,并将对整个食品领域起到更加深远的影响。

1基因芯片技术

1.1概念和原理

基因芯片又叫DNA芯片(DNA chip)、DNA阵列(DNA micro chip)、DNA微级阵列(DNA microarray)等,是生物芯片的一种[1]。基因芯片的原理是采用光导原位合成或微量点样等方法,将大量核酸片段或多肽分子等生物样品有序地固化于支持物(玻片、硅片等载体)表面,组织成密集二位分子排列,然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交,通过特定的仪器,如激光共聚焦扫描仪或电荷偶联摄像机,对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析,从而判断样品中靶分子的种类和数量[2]。

1.2基因芯片的特点

1.2.1自动化程度高。随着基因工程技术的发展和各学科的交叉渗透,基因芯片技术中从基因探针的构建到目的基因的检出都在很大程度上实现了自动化[3]。这样不仅保证芯片制造质量稳定,而且使研究结果更加准确、客观,也使得实验时间大大缩短,操作更加简便[4]。

1.2.2检测多样性。由于基因芯片技术的发展,能在单个芯片上放置几千几万个基因探针,可在单个芯片上进行样本的多方面分析比较,排除一系列复杂因素导致的各比较实验的内在差异。

1.2.3应用范围广。由于基因芯片的许多优点,其仅发展短短几十年就在生物学、医学、法学、农业、环保和食品科学等领域取得丰硕的成果。基因芯片应用于基因组测序是基因芯片最早的用途之一,它还用于基因表达分析、寻找新基因等方面[5];基因芯片在医学上主要应用于疾病的诊疗;此外,基因芯片还被应用于对环境微生物群落的生理状态、活动、组成等方面进行检测;基因芯片技术在法医鉴定方面也得到有效应用。

2基因芯片在食品领域中的应用

2.1在食源性治病微生物检测方面的应用

食品最常见的污染是微生物污染,这些致病微生物的存在会严重影响人类的健康。因此,食品中病原性微生物的检测是食品卫生检测中的重要一步。传统的细菌检测法(细菌培养、生化鉴定、血清分型)操作繁琐,需数天时间才能得到结果,且灵敏度不高,使得食品的安全检测存在一定的危险。PCR法快速灵敏,但成本高,假阳性多,1次只能检出1种致病菌,对存在大量未知菌或有多种细菌污染的食品显得无从下手。基因芯片技术在微生物研究领域的成功经验,为其用于食品微生物特别是致病菌的检测打下了基础[6-8],如用于检测霍乱弧菌、副溶血弧菌、单曾李斯特菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、各种E.coli 0157∶H7的分离物、炭疽杆菌、结核杆菌、SARS病毒、禽流感病毒等。

基因芯片诊断病原细菌的原理是基于细菌的16S rDNA基因的高度保守。Appelbaum[9]在对几种细菌进行鉴别时设计了一种鉴别诊断芯片,一方面,从高度保守基因序列出发,另一方面,选择同种细菌不同血清型所特有的标志基因为靶基因,固着于芯片表面,同时还含有细菌所共有的16S rDNA保守序列以确定为细菌感染标志,不仅操作简单重复性好,并且灵敏度高于传统方法。Borucki等[10]构建的混合基因组微阵列可准确鉴别各种近缘单核增多李斯特菌分离物。Anthoney等[11]建立了一个在4h内便可检测和识别出微生物的方法,此方法首先通过PCR法扩增细菌核糖体23S rDNA,然后将扩增产物与含有特定寡核苷酸探针的芯片进行杂交,再通过检测系统进行识别,该法对158例经血培养定位阳性的样品进行检测,其结果符合率为79.7%。李文军等[12]建立了以基因芯片技术为基础的、水中常见致病菌的快速检测与鉴定技术。基因芯片专一性好,能够对食品中污染的微生物实现快速的在线检测,及时反映食品中存在的问题,为危害分析的关键控制点提供可行性的权威检测结果。

2.2在转基因食品检测方面的应用

自1994年美国第1个转基因产品进入市场以来,转基因食品越来越多的展现在人们面前。一方面,由于对其可能导致的不可预期的结果担忧,另一方面,出于对消费者所购商品知情权的维护,因此,无论是生产厂家还是监督部门都需要一种准确高效的转基因食品检测手段。以往的检测方法有PCR检测法、化学组织检测法、酶联免疫吸附法和生物测定检测法等。但这些方法只能对单个检测目标进行检测,并存在假阳性或时间周期长等问题,而基因芯片通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有很高的应用价值,具有高通量、微型化、自动化和信息化的特点,可弥补传统方法在转基因食品检测中的不足。Mariotti等[13]介绍了一种用于转基因食品检测、基于DNA杂交原理的生物芯片SPR(Surface plasm on resonance)。单链DNA(ssDNA)探针被固定在SPR装置芯片上,探针与目的成分序列的杂交可被监控。含有转基因目的序列的样品经PCR扩增后,利用SPR生物芯片检测,可定量出样品中含2%的转基因大豆粉。此芯片的研制也为基因芯片检测食品中的GMO提供了有益借鉴。繆海珍采用基因芯片对大豆、玉米、油菜、棉花等转基因农作物样品进行检测,从而对大豆、玉米、油菜、棉花等4大类农作物的转基因进行了有效检测,结果表明:该基因芯片范围广,可适应于不同样品的不同生物学背景。

基因芯片技术不但可以对转基因食品进行定性检测,还可以定量的检测其种类,在转基因食品检测方面具有深远意义。

2.3在兽药残留检测方面的应用

近年来,兽药在畜牧业中的应用日益广泛,但兽药残留对人体及环境会造成很多种危害,包括慢性、远期和蓄积性等疾病,如致癌、发育毒性、体内蓄积、免疫抑制、致敏和诱导耐药菌株等。动物性食物中兽药残留已成为公认的农业和环境问题。目前,兽药残留常规的检测方法包括仪器方法、微生物法、酶联免疫法等。仪器法存在仪器昂贵、方法复杂、操作繁琐、试剂消耗量大等局限性,微生物法存在检测灵敏度低、准确性差和检测速度慢等特点,酶联免疫法可以快速、高灵敏度、高准确性地检测样品,但每次检测只能针对单种兽药。对于大量样品的初筛和日常的监测工作则需要更简便快捷的检测方法[14]。

博奥生物已经开发出兽药残留芯片检测平台,该平台系统可定量检测出猪肉、猪肝、鸡肉、鸡肝等组织中10种兽药残留量,具有前处理简单、特异性好、检测速度快、检测通量高、控制体系严密等优点,可广泛应用于进出口检验、常规筛检等领域。

2.4在研究食品毒理学中的应用

传统的食品毒理学研究是通过动物实验模式来进行模糊评判,它们在研究毒物的整体毒性效应和毒物代谢方面具有不可替代的作用,但是所用的动物模型由于种属差异,得出的结果往往并不适宜推用至人体,所以传统的动物实验仅仅是一种粗糙、不精确的方法。美国环境卫生科学研究所的研究小组已经开发出一种革命性的工具——毒理芯片[15]。虽然不能完全取代动物,但它可以提供有价值的信息,以免做许多不必要的生物实验。基因芯片可以同时对几千个基因的表达进行分析,为研究新型食品资源对人体免疫系统影响机理提供完整的技术资料,并通过对单个或多个混合体有害成份分析,确定该化学物质在低剂量条件下的毒性,并且分析推断出该物质的最低限量[16]。

2.5在抗生素耐药检测中的应用

目前,养殖行业还缺少对抗生素耐药检测的手段,药物的使用凭借经验用药和多抗生素混合用药,而带来的问题是需要不断地寻找新药,并且耐药菌越来越多,基因芯片技术将会给这个问题的解决带来新的途径。博奥生物开发的用于细菌鉴定和耐药检的测基因芯片,在鉴定细菌的同时可完成耐药检测,为抗生素耐药检测提供了方案。

2.6在研究食品营养机理中的应用

很多食品具有预防疾病的功效,但营养机理尚不清楚。研究疾病发生的基因表达和单核苷酸多肽性,有利于总结疾病预防治疗与营养素、基因产物之间存在的微妙关系,完成此项目工作需要依赖高效的生物技术。基因芯片技术将在食品营养研究领域中发挥重要作用,利用基因芯片技术研究营养素与蛋白质和基因表达的关系,为揭示抗病和预防机理提供依据。如营养与肿瘤相关基因表达的研究(抑癌基因表达与突变),营养与脑血管疾病关系的分子学研究;营养与高血压、糖尿病和免疫系统的分子水平研究等。

2.7在食品领域其他方面的应用

在动物疫病病原菌的检测方面,已开发了分别用于马毒性动脉炎病毒(EAV)、非洲马瘟病毒(AHS)、马鼻肺炎病毒(EHV-4)、马冠状病毒(ECV)和西尼罗热病毒(WNV)等5种马病毒检测和犬病病毒检测的基因芯片。在植物检疫病原生物和害虫的检测方面,李淼等[17]研究了基因芯片技术在植物病害研究中的应用;吴兴海等[18]分析并预测了基因芯片在检疫性植物病原菌、植物病毒、病原真菌、杂草、昆虫及线虫检测等方面的应用前景。除此之外,基因芯片技术还可应用于食品领域的其他多个方面,如肉制品的动物种类成分鉴别和生物恐怖因子检测等。

3展望

基因芯片技术正日新月异的发展起来,在食品中的应用也成为新的研究热点。基因芯片技术作为一种高效、敏感检测基因表达方法,能较系统的分析真核细胞的基因表达,从而应用于诸多领域中。基因芯片技术在食品科学领域的

发展,将为人类的营养健康做出无法估量的贡献。

4参考文献

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