生物芯片及其在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

1、第9卷第1期2007年3月遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)Jour nal of L iao ning A gr icultural Co llege V ol 9,No 1M ar 2007收稿日期:2007-01-18作者簡(jiǎn)介:丁立群(1963-,女,副教授。生物芯片及其在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用丁立群1,馮麗娟2(1 遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧營(yíng)口115009;2 貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,貴州貴陽(yáng)550025摘 要:生物芯片是一種全新微量分析技術(shù),被譽(yù)為21世紀(jì)生命支撐平臺(tái)。本文探討了生物芯片兩大理論基礎(chǔ) 分子生物技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù);綜述了包括基因芯片、蛋白芯片和芯片縮微實(shí)驗(yàn)室三類生物芯片的研究應(yīng)用現(xiàn)

2、狀;深入探討了生物芯片在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用前景,主要表現(xiàn)在食品毒理學(xué)、食品衛(wèi)生檢驗(yàn)、分子水平上闡述食品營(yíng)養(yǎng)機(jī)理、轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)。關(guān)鍵詞:生物芯片;食品;安全檢測(cè)中圖分類號(hào):R 155 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-0517(200701-0018-03 目前,全球食品安全形勢(shì)不容樂(lè)觀,主要表現(xiàn)為食源性疾病不斷上升,惡性食品污染事件接二連三,食品加工新技術(shù)與新工藝帶來(lái)不確定性危害。世界范圍內(nèi)由于食品安全衛(wèi)生質(zhì)量而引起的食品貿(mào)易糾紛不斷,高新技術(shù)應(yīng)用于食品安全檢測(cè)具有無(wú)限的發(fā)展空間。生物芯片是九十年代初發(fā)展起來(lái)的一種全新的微量分析技術(shù),綜合了分子生物技術(shù)、微加工技術(shù)、免疫學(xué)、計(jì)算機(jī)等多項(xiàng)

3、技術(shù),生命科學(xué)研究中不連續(xù)的分析過(guò)程,集成在芯片上完成,實(shí)現(xiàn)樣品檢測(cè)分析過(guò)程的連續(xù)化、集成化、微型化和信息化,生物芯片技術(shù)作為一代生物技術(shù),在食品領(lǐng)域中具有廣闊的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值和產(chǎn)業(yè)化前景。1 理論基礎(chǔ)生物芯片即在硅片或載玻片或高分子聚合物薄片上,將大量的生物探針(基因探針、基因片段、抗原、抗體按特定方式固定的排列,形成可供反應(yīng)的固相載體。在一定條件下,與熒光標(biāo)記過(guò)的待檢測(cè)樣品進(jìn)行作用,反應(yīng)結(jié)果用化學(xué)熒光法、酶標(biāo)法、同位素法顯示,通過(guò)精密的掃描儀等光學(xué)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其工作原理是將檢測(cè)樣品加在芯片的表面,由于生物分子特異性親和反應(yīng)(如核酸雜交反應(yīng),抗原抗體反應(yīng)等檢

4、測(cè)樣品中的待檢測(cè)成分分別和芯片上固定化的生物識(shí)別分子結(jié)合反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的分析和檢測(cè)生物芯片的發(fā)展得益于很多新技術(shù),但基本上源自于兩大創(chuàng)新領(lǐng)域的結(jié)合。生物芯片主要包括四個(gè)基本要點(diǎn):芯片方陣的構(gòu)建,樣品的制備,生物分子反應(yīng)和信號(hào)的檢測(cè)。芯片制備是先將玻璃片或硅片進(jìn)行表面處理,然后使DNA 片斷或蛋白質(zhì)分子按順序排列在芯片上的過(guò)程。生物樣品往往是非常復(fù)雜的生物分子混合體,除少數(shù)特殊樣品外,一般不能直接與芯片反應(yīng)。可將樣品進(jìn)行處理,獲取其中的蛋白質(zhì)或DNA,RNA,并且加以標(biāo)記,以提高檢測(cè)的靈敏度。生物分子反應(yīng)為芯片上的生物分子之間的反應(yīng),是芯片檢測(cè)的關(guān)鍵一步。通過(guò)選擇合適的反應(yīng)條件使生物分子間

5、反應(yīng)處于最佳狀態(tài)中,減少生物分子之間的錯(cuò)配率。常用的芯片信號(hào)檢測(cè)方法是將芯片置入芯片掃描儀中,進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),以獲得有關(guān)生物學(xué)信息。2 生物芯片的種類芯片種類較多,根據(jù)芯片上的固定的探針不同,生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片、組織芯片;另外根據(jù)原理還可分為元件型微陣列芯片、通道型微陣列芯片、生物傳感芯片等新型生物芯片;以其片基的不同分為無(wú)機(jī)片基和有機(jī)合成物片基;按其應(yīng)用的不同可以分為表達(dá)譜芯片、診斷芯片、檢測(cè)芯片;按其結(jié)構(gòu)的不同可以分為DNA 陣列和寡核苷酸芯片。其中應(yīng)用最多,應(yīng)用范圍最廣的生物芯片是基因芯片。2 1 基因芯片(Gene chip所謂基因芯片又稱為DNA 微陣列(DNA

6、 m icro ar ray,是按特定的排列方式排列固定有大量基因片段(可以是相同的基因片段,也可以是不同的的硅片,玻璃片或塑料片。它的工作原理是將樣品加在芯片上,通過(guò)分子雜交方式對(duì)樣品進(jìn)行分析,從而大規(guī)模高效地獲取相關(guān)的生物信息?；蛐酒夹g(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù),具有快速、準(zhǔn)確、靈敏等特點(diǎn),又能同時(shí)檢測(cè)大量樣品,在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域必將發(fā)揮重大的作用?；蛐酒赏瑫r(shí)對(duì)數(shù)以千計(jì)的DNA片斷同時(shí)進(jìn)行處理分析?；蛐酒夹g(shù)的主要特點(diǎn)為:技術(shù)操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、序列數(shù)量大、檢測(cè)效率高、應(yīng)用范圍廣、成本相對(duì)低。2 2 蛋白質(zhì)芯片(Protein chip蛋白質(zhì)芯片,又稱為蛋白質(zhì)微陣列(protein mi

7、cro array是大量的蛋白質(zhì)分子(例如抗體或抗原分子或肽鏈有序排列固定在載體薄片上形成的。利用蛋白質(zhì)或肽能特異性地與配體分子(如抗體或抗原結(jié)合的原理,芯片上的蛋白質(zhì)分子或肽鏈與樣品中的相關(guān)成分發(fā)生反應(yīng),然后加入標(biāo)記分子,并用閱讀儀分析和存儲(chǔ)結(jié)果,這就是蛋白質(zhì)芯片的工作原理。隨著生物技術(shù)的發(fā)展,以蛋白質(zhì)為研究對(duì)象的蛋白組學(xué)的研究越來(lái)越重要,發(fā)展高通量、微型化、自動(dòng)化的蛋白質(zhì)檢測(cè)技術(shù)已成必要。由于蛋白質(zhì)不能靠擴(kuò)增的方法達(dá)到要求的靈敏度,蛋白質(zhì)之間的特異作用是利用抗原與抗體反應(yīng),沒(méi)有序列特異性,而只有專一性,所以檢測(cè)蛋白質(zhì)沿用基因芯片的模式有一定的局限性。探針蛋白一般選擇單克隆抗體。蛋白質(zhì)很難在

8、固相載體表面合成,并且固體表面的蛋白質(zhì)易于改變空間構(gòu)象,失去生物活性,所以蛋白質(zhì)芯片的制作比基因芯片復(fù)雜。構(gòu)建蛋白質(zhì)方陣需解決三個(gè)問(wèn)題,一保持蛋白的活性,二保證蛋白質(zhì)正確定位,三與現(xiàn)存的基因微型方陣研究工具相兼容。蛋白芯片是近年來(lái)蛋白質(zhì)組學(xué)研究中興起的一種新方法。它是在基因芯片的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。與傳統(tǒng)的研究方法相比有以下特點(diǎn):(1蛋白芯片是一種高通量的研究方法,能在一次實(shí)驗(yàn)中提供大量的信息,使我們能夠全而、準(zhǔn)確地研究蛋白表達(dá)譜;(2靈敏度高,它可以檢測(cè)出蛋白樣品中微量蛋白的存在,檢測(cè)水平已達(dá)ng級(jí);(3所需的樣品量極少。2 3 芯片縮微實(shí)驗(yàn)室(Microlab on a chip芯片實(shí)驗(yàn)室,

9、就是將各種功能的芯片集約在同一載體片(通常為硅片上,形成的(復(fù)合多功能芯片。在芯片實(shí)驗(yàn)室中,各芯片之間是在計(jì)算機(jī)的控制下通過(guò)微流路(m icrofluid,微泵和微閥等來(lái)實(shí)現(xiàn)有序聯(lián)系的。芯片縮微實(shí)驗(yàn)室是集樣品制備、基因擴(kuò)增、核酸標(biāo)記及檢測(cè)為一體,實(shí)現(xiàn)生化分析全過(guò)程,是生物芯片發(fā)展的最高階段。不僅能實(shí)現(xiàn)分析過(guò)程的微量化和集約化,從而節(jié)約時(shí)間,經(jīng)費(fèi)和人力等,工作效率大大提高,同時(shí)是具有深遠(yuǎn)前景的研究課題。由于芯片實(shí)驗(yàn)室是利用微加工技術(shù),濃縮了整個(gè)實(shí)驗(yàn)室所需的設(shè)備,化驗(yàn)、檢測(cè)以及顯示等都會(huì)在一塊基因芯片上完成,所需樣品量微,因此成本相對(duì)比較低廉,使用非常方便。這類儀器的出現(xiàn)將給生命科學(xué)研究、疾病診斷

10、和治療、新藥開發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭(zhēng)、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、航空航天等領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命。3 生物芯片在食品中的應(yīng)用前景在食品衛(wèi)生檢驗(yàn)中的應(yīng)用隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展,食品衛(wèi)生檢驗(yàn)與動(dòng)植物檢疫技術(shù)已成為WT O 貿(mào)易技術(shù)壁壘(TBT。食品的安全性問(wèn)題已制約了我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的出口創(chuàng)匯能力以及加入WT O后的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。生物芯片技術(shù)可以對(duì)食品安全狀態(tài)有一個(gè)快速的、科學(xué)的、量化的了解,找出食源性疾病的閾值;同時(shí)建立進(jìn)出口食品監(jiān)督管理的預(yù)警和快速反應(yīng)系統(tǒng)。DNA芯片在微生物重要基因(毒力基因、抗藥基因、致病因子篩選監(jiān)測(cè)、直接分析細(xì)菌基因組進(jìn)行菌種鑒定與流行病學(xué)研究及基因表達(dá)中得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí),DNA芯片對(duì)水、

11、食品中所含微生物的種類及有無(wú)致病性的檢測(cè)和鑒定也將發(fā)揮重要作用。3 1 食品毒理學(xué)研究在食品毒理學(xué)研究中的應(yīng)用,傳統(tǒng)的食品毒理學(xué)研究必須通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絹?lái)進(jìn)行模糊評(píng)判,它們?cè)谘芯慷疚锏恼w毒性效應(yīng)和毒物代謝方面具有不可替代的作用。但是,這不僅需要消耗大量的動(dòng)物,而且往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外,所用的動(dòng)物模型由于種屬差異,得出的結(jié)果往往并不適宜外推至人,而且動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中所給予的毒物劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人的暴露水平,并不能反映真實(shí)的暴露情況。所以,傳統(tǒng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)僅僅是一種粗糙的、不精確的方法。Ag shari等(1999報(bào)道生物芯片技術(shù)的應(yīng)用將在毒理學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命。生物芯片可以同時(shí)對(duì)幾千個(gè)基因的表達(dá)進(jìn)行分析,為

12、研究新型食品資源對(duì)人體免疫系統(tǒng)影響機(jī)理提供完整的技術(shù)資料。并通過(guò)對(duì)單個(gè)或多個(gè)混合體有害成分進(jìn)行分析,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。3 2 食品衛(wèi)生檢驗(yàn)經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展,食品衛(wèi)生檢驗(yàn)與動(dòng)植物檢疫技術(shù)已成為WTO貿(mào)易技術(shù)壁壘(T BT。世界各國(guó)無(wú)不加大對(duì)食品安全的研究,尤其是食品衛(wèi)生檢驗(yàn)技術(shù)的完善。食品的安全性問(wèn)題已制約了我國(guó)19第1期 丁立群等:生物芯片及其在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用農(nóng)產(chǎn)品的出口創(chuàng)匯能力以及加入WT O后的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。生物芯片技術(shù)是檢驗(yàn)、檢疫中最快速、大通量、最適用的高新技術(shù)。針對(duì)檢驗(yàn)的內(nèi)容和對(duì)象的不同,檢驗(yàn)基因芯片可分為3種:食品衛(wèi)生檢驗(yàn)芯片;

13、植物檢驗(yàn)芯片;動(dòng)物檢驗(yàn)芯片。針對(duì)目前存在的對(duì)食品安全情況不明、本底不清的狀態(tài),建立健全食品安全檢驗(yàn)檢疫監(jiān)測(cè)體系,對(duì)食品安全狀態(tài)有一個(gè)快速的、科學(xué)的、量化的了解,找出食源性疾病的閾值:建立進(jìn)出口食品監(jiān)督管理的預(yù)警和快速反應(yīng)系統(tǒng)。生物芯片在以下幾個(gè)方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景:(1食品中毒事件的調(diào)查;(2食品污染生物毒素的檢測(cè);(3食品中污染病原菌的檢測(cè)19;(4食品中殘留農(nóng)藥和抗生素的分析,總之,隨著研究的深入,生物芯片技術(shù)必將在食品安全保障中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。3 3 食品營(yíng)養(yǎng)學(xué)中的應(yīng)用在食品營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用,生物芯片技術(shù)將在食品營(yíng)養(yǎng)研究領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。研究疾病發(fā)生的基因表達(dá)和單核苷酸多態(tài)

14、性,有利于總結(jié)出疾病預(yù)防治療與營(yíng)養(yǎng)素、基因產(chǎn)物之間存在的微妙關(guān)系,完成此項(xiàng)工作需要依賴高效的生物技術(shù)。利用生物芯片技術(shù)研究營(yíng)養(yǎng)素與蛋白質(zhì)和基因表達(dá)的關(guān)系,為揭示抗病和預(yù)防機(jī)理提供理論依據(jù)。如營(yíng)養(yǎng)與腫瘤相關(guān)基因表達(dá)的研究(抑癌基因表達(dá)與突變;營(yíng)養(yǎng)與心腦血管疾病關(guān)系的分子學(xué)研究;營(yíng)養(yǎng)與高血壓、糖尿病和免疫系統(tǒng)的分子水平研究等。3 4 轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)在轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)中的應(yīng)用,自1994年,美國(guó)第一個(gè)轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)品 轉(zhuǎn)基因番茄獲得FDA的批準(zhǔn)進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái),轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物在全球內(nèi)飛速發(fā)展。轉(zhuǎn)基因食品就是用轉(zhuǎn)基因生物生產(chǎn)和加工的食品,也叫基因修飾食品(GM F,可以進(jìn)一步分為轉(zhuǎn)基因植物食品、動(dòng)物食品和微生

15、物食品,其中發(fā)展最快的是轉(zhuǎn)基因植物食品。由于轉(zhuǎn)基因食品含有轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入的外源基因和外源基因在受體內(nèi)的表達(dá)產(chǎn)物,所以對(duì)其安全問(wèn)題爭(zhēng)議很大。目前國(guó)際上還沒(méi)有一份嚴(yán)肅的科學(xué)報(bào)告證實(shí)轉(zhuǎn)基因食品是永久安全的。因此,對(duì)轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行檢測(cè)和標(biāo)識(shí)已勢(shì)在必行?；蛐酒梢詸z測(cè)出食品中是否含有轉(zhuǎn)基因,以及含有何種轉(zhuǎn)基因。生物芯片通過(guò)設(shè)計(jì)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(jià)值。具有高通量、微型化、自動(dòng)化和信息化的特點(diǎn),是轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)的方向。而目前國(guó)際上轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的檢測(cè)還沒(méi)有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn),常用的轉(zhuǎn)基因作物檢測(cè)方法有PCR檢測(cè)法、化學(xué)組織檢測(cè)法、酶聯(lián)免疫吸附法、Southern雜交法、N

16、or thern雜交法、Western雜法和生物測(cè)定檢測(cè)法等18。但這些方法只能對(duì)單個(gè)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),并存在假陽(yáng)性高或時(shí)間周期長(zhǎng)等問(wèn)題。而迅速發(fā)展起來(lái)基因芯片技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)不同探針陣列、使用特定分析方法可使該技術(shù)具有很高應(yīng)用價(jià)值,具有高通量、微型化、自動(dòng)化和信息化特點(diǎn),是轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)方向,可彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法不足。轉(zhuǎn)基因作物檢測(cè)基因芯片是將目前通用報(bào)告基因、抗性基因、啟動(dòng)子和終止子特異片段固定于玻片上制成檢測(cè)芯片,將從待檢樣品中提取DNA擴(kuò)增、標(biāo)記后與芯片進(jìn)行雜交,雜交信號(hào)掃描后可經(jīng)過(guò)軟件進(jìn)行分析判斷。它選擇檢測(cè)的報(bào)告基因是具有明顯區(qū)別于受體細(xì)胞遺傳背景選擇標(biāo)記,通常是在離體條件下易于檢測(cè)的酶或發(fā)

17、光蛋白。它還可同時(shí)檢測(cè)報(bào)告基因、抗性基因、啟動(dòng)子和終止子,非常適合于轉(zhuǎn)基因作物及加工品檢測(cè),使之具有廣闊發(fā)展前景。4 結(jié)束語(yǔ)基因芯片技術(shù)這種高效敏感檢測(cè)基因表達(dá)為方法的問(wèn)世,是生命科學(xué)研究方法上的革命,它能較系統(tǒng)地分析真核細(xì)胞的基因表達(dá),隨著新基因的不斷克隆和人類基因組計(jì)劃的完成,可以認(rèn)為基因芯片技術(shù)一定也會(huì)像計(jì)算機(jī)芯片那樣不斷擴(kuò)大容量,升級(jí)換代,基因芯片技術(shù)的出現(xiàn)帶動(dòng)了蛋白質(zhì)芯片類似技術(shù)的產(chǎn)生,以全新思維方式研究生命科學(xué)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。在食品科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛的發(fā)展空間和應(yīng)用前景,將為人類的營(yíng)養(yǎng)健康做出無(wú)可估計(jì)的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn):1陸兆新 現(xiàn)代食品生物技術(shù)M 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,20022Yu Xiaomei,et al3-D micr oar rays bio chip o f DN Aamplificat ion in polyolimethylsil