基因芯片在食品研究及檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用

于婷婷 韓 飛 周孟良

摘要基因芯片技術(shù)是一種多學(xué)科交叉融合產(chǎn)生的高新技術(shù),該技術(shù)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(lǐng)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(nèi)容作了介紹,并詳述了基因芯片技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。

關(guān)鍵詞基因芯片;食品;研究;檢測

中圖分類號X836文獻標(biāo)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(xiàn)為食源性疾病不斷上升,食品加工新技術(shù)與新工藝帶來更多不確定性危害。通過科學(xué)手段減少或遏制類似事件的發(fā)生已經(jīng)成為一個重要的課題,并具有無限的發(fā)展空間。

基因芯片是20世紀(jì)90年代在生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。它是一項基于基因表達和基因功能研究的革命性技術(shù),并綜合了分子生物學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、激光、化學(xué)染料等領(lǐng)域的最新科學(xué)技術(shù),將生物科學(xué)與生物信息學(xué)很好的聯(lián)系起來。目前,基因芯片已在疾病診斷和治療、藥物篩選、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境檢測、國防、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近幾年,基因芯片技術(shù)也開始在食品領(lǐng)域中運用,包括檢測食品的營養(yǎng)成分,監(jiān)督食品的衛(wèi)生、安全和食品質(zhì)量,保證人類飲食健康,并將對整個食品領(lǐng)域起到更加深遠(yuǎn)的影響。

1基因芯片技術(shù)

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]?；蛐酒脑硎遣捎霉鈱?dǎo)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(biāo)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(lián)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(shù)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(shù)的發(fā)展和各學(xué)科的交叉滲透,基因芯片技術(shù)中從基因探針的構(gòu)建到目的基因的檢出都在很大程度上實現(xiàn)了自動化[3]。這樣不僅保證芯片制造質(zhì)量穩(wěn)定,而且使研究結(jié)果更加準(zhǔn)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(shù)的發(fā)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(fù)雜因素導(dǎo)致的各比較實驗的內(nèi)在差異。

1.2.3應(yīng)用范圍廣。由于基因芯片的許多優(yōu)點,其僅發(fā)展短短幾十年就在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、法學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保和食品科學(xué)等領(lǐng)域取得豐碩的成果。基因芯片應(yīng)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(yī)學(xué)上主要應(yīng)用于疾病的診療;此外,基因芯片還被應(yīng)用于對環(huán)境微生物群落的生理狀態(tài)、活動、組成等方面進行檢測;基因芯片技術(shù)在法醫(yī)鑒定方面也得到有效應(yīng)用。

2基因芯片在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1在食源性治病微生物檢測方面的應(yīng)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(yán)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(wèi)生檢測中的重要一步。傳統(tǒng)的細(xì)菌檢測法(細(xì)菌培養(yǎng)、生化鑒定、血清分型)操作繁瑣,需數(shù)天時間才能得到結(jié)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(xì)菌污染的食品顯得無從下手?；蛐酒夹g(shù)在微生物研究領(lǐng)域的成功經(jīng)驗,為其用于食品微生物特別是致病菌的檢測打下了基礎(chǔ)[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(jié)核桿菌、SARS病毒、禽流感病毒等。

基因芯片診斷病原細(xì)菌的原理是基于細(xì)菌的16S rDNA基因的高度保守。Appelbaum[9]在對幾種細(xì)菌進行鑒別時設(shè)計了一種鑒別診斷芯片,一方面,從高度保守基因序列出發(fā),另一方面,選擇同種細(xì)菌不同血清型所特有的標(biāo)志基因為靶基因,固著于芯片表面,同時還含有細(xì)菌所共有的16S rDNA保守序列以確定為細(xì)菌感染標(biāo)志,不僅操作簡單重復(fù)性好,并且靈敏度高于傳統(tǒng)方法。Borucki等[10]構(gòu)建的混合基因組微陣列可準(zhǔn)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(nèi)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(xì)菌核糖體23S rDNA,然后將擴增產(chǎn)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(tǒng)進行識別,該法對158例經(jīng)血培養(yǎng)定位陽性的樣品進行檢測,其結(jié)果符合率為79.7%。李文軍等[12]建立了以基因芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的、水中常見致病菌的快速檢測與鑒定技術(shù)?；蛐酒瑢Ｒ恍院?能夠?qū)κ称分形廴镜奈⑸飳崿F(xiàn)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(guān)鍵控制點提供可行性的權(quán)威檢測結(jié)果。

2.2在轉(zhuǎn)基因食品檢測方面的應(yīng)用

自1994年美國第1個轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進入市場以來,轉(zhuǎn)基因食品越來越多的展現(xiàn)在人們面前。一方面,由于對其可能導(dǎo)致的不可預(yù)期的結(jié)果擔(dān)憂,另一方面,出于對消費者所購商品知情權(quán)的維護,因此,無論是生產(chǎn)廠家還是監(jiān)督部門都需要一種準(zhǔn)確高效的轉(zhuǎn)基因食品檢測手段。以往的檢測方法有PCR檢測法、化學(xué)組織檢測法、酶聯(lián)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(biāo)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(shè)計不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術(shù)具有很高的應(yīng)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(tǒng)方法在轉(zhuǎn)基因食品檢測中的不足。Mariotti等[13]介紹了一種用于轉(zhuǎn)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(jiān)控。含有轉(zhuǎn)基因目的序列的樣品經(jīng)PCR擴增后,利用SPR生物芯片檢測,可定量出樣品中含2%的轉(zhuǎn)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?？姾Ｕ洳捎没蛐酒瑢Υ蠖埂⒂衩?、油菜、棉花等轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物樣品進行檢測,從而對大豆、玉米、油菜、棉花等4大類農(nóng)作物的轉(zhuǎn)基因進行了有效檢測,結(jié)果表明:該基因芯片范圍廣,可適應(yīng)于不同樣品的不同生物學(xué)背景。

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

2.3在獸藥殘留檢測方面的應(yīng)用

近年來,獸藥在畜牧業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛,但獸藥殘留對人體及環(huán)境會造成很多種危害,包括慢性、遠(yuǎn)期和蓄積性等疾病,如致癌、發(fā)育毒性、體內(nèi)蓄積、免疫抑制、致敏和誘導(dǎo)耐藥菌株等。動物性食物中獸藥殘留已成為公認(rèn)的農(nóng)業(yè)和環(huán)境問題。目前,獸藥殘留常規(guī)的檢測方法包括儀器方法、微生物法、酶聯(lián)免疫法等。儀器法存在儀器昂貴、方法復(fù)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(zhǔn)確性差和檢測速度慢等特點,酶聯(lián)免疫法可以快速、高靈敏度、高準(zhǔn)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(jiān)測工作則需要更簡便快捷的檢測方法[14]。

博奧生物已經(jīng)開發(fā)出獸藥殘留芯片檢測平臺,該平臺系統(tǒng)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(yán)密等優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于進出口檢驗、常規(guī)篩檢等領(lǐng)域。

2.4在研究食品毒理學(xué)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的食品毒理學(xué)研究是通過動物實驗?zāi)Ｊ絹磉M行模糊評判,它們在研究毒物的整體毒性效應(yīng)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(jié)果往往并不適宜推用至人體,所以傳統(tǒng)的動物實驗僅僅是一種粗糙、不精確的方法。美國環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所的研究小組已經(jīng)開發(fā)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?；蛐酒梢酝瑫r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(tǒng)影響機理提供完整的技術(shù)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(xué)物質(zhì)在低劑量條件下的毒性,并且分析推斷出該物質(zhì)的最低限量[16]。

2.5在抗生素耐藥檢測中的應(yīng)用

目前,養(yǎng)殖行業(yè)還缺少對抗生素耐藥檢測的手段,藥物的使用憑借經(jīng)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(shù)將會給這個問題的解決帶來新的途徑。博奧生物開發(fā)的用于細(xì)菌鑒定和耐藥檢的測基因芯片,在鑒定細(xì)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(yǎng)機理中的應(yīng)用

很多食品具有預(yù)防疾病的功效,但營養(yǎng)機理尚不清楚。研究疾病發(fā)生的基因表達和單核苷酸多肽性,有利于總結(jié)疾病預(yù)防治療與營養(yǎng)素、基因產(chǎn)物之間存在的微妙關(guān)系,完成此項目工作需要依賴高效的生物技術(shù)?；蛐酒夹g(shù)將在食品營養(yǎng)研究領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用,利用基因芯片技術(shù)研究營養(yǎng)素與蛋白質(zhì)和基因表達的關(guān)系,為揭示抗病和預(yù)防機理提供依據(jù)。如營養(yǎng)與腫瘤相關(guān)基因表達的研究(抑癌基因表達與突變),營養(yǎng)與腦血管疾病關(guān)系的分子學(xué)研究;營養(yǎng)與高血壓、糖尿病和免疫系統(tǒng)的分子水平研究等。

2.7在食品領(lǐng)域其他方面的應(yīng)用

在動物疫病病原菌的檢測方面,已開發(fā)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(shù)在植物病害研究中的應(yīng)用;吳興海等[18]分析并預(yù)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(yīng)用前景。除此之外,基因芯片技術(shù)還可應(yīng)用于食品領(lǐng)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(shù)正日新月異的發(fā)展起來,在食品中的應(yīng)用也成為新的研究熱點。基因芯片技術(shù)作為一種高效、敏感檢測基因表達方法,能較系統(tǒng)的分析真核細(xì)胞的基因表達,從而應(yīng)用于諸多領(lǐng)域中?；蛐酒夹g(shù)在食品科學(xué)領(lǐng)域的

發(fā)展,將為人類的營養(yǎng)健康做出無法估量的貢獻。

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