第9卷第1期2007年3月辽宁农业职业技术学院学报Journal of Liaoning Agricultural College Vol 19,No 11Mar 12007收稿日期:2007-01-18作者简介:丁立群(1963-),女,副教授。
生物芯片及其在食品安全检测中的应用丁立群1,冯丽娟2(11辽宁农业职业技术学院,辽宁营口115009;21贵州大学生命科学学院,贵州贵阳550025)摘 要:生物芯片是一种全新微量分析技术,被誉为21世纪生命支撑平台。
本文探讨了生物芯片两大理论基础—分子生物技术和微细加工技术;综述了包括基因芯片、蛋白芯片和芯片缩微实验室三类生物芯片的研究应用现状;深入探讨了生物芯片在食品安全检测中的应用前景,主要表现在食品毒理学、食品卫生检验、分子水平上阐述食品营养机理、转基因食品的检测。
关键词:生物芯片;食品;安全检测中图分类号:R 155 文献标识码:B 文章编号:1671-0517(2007)01-0018-03 目前,全球食品安全形势不容乐观,主要表现为食源性疾病不断上升,恶性食品污染事件接二连三,食品加工新技术与新工艺带来不确定性危害。
世界范围内由于食品安全卫生质量而引起的食品贸易纠纷不断,高新技术应用于食品安全检测具有无限的发展空间。
生物芯片是九十年代初发展起来的一种全新的微量分析技术,综合了分子生物技术、微加工技术、免疫学、计算机等多项技术,生命科学研究中不连续的分析过程,集成在芯片上完成,实现样品检测分析过程的连续化、集成化、微型化和信息化,生物芯片技术作为一代生物技术,在食品领域中具有广阔的基础研究价值和产业化前景。
1 理论基础生物芯片即在硅片或载玻片或高分子聚合物薄片上,将大量的生物探针(基因探针、基因片段、抗原、抗体)按特定方式固定的排列,形成可供反应的固相载体。
在一定条件下,与荧光标记过的待检测样品进行作用,反应结果用化学荧光法、酶标法、同位素法显示,通过精密的扫描仪等光学仪器进行数据采集,并借助计算机软件进行数据分析。
其工作原理是将检测样品加在芯片的表面,由于生物分子特异性亲和反应(如核酸杂交反应,抗原抗体反应等)检测样品中的待检测成分分别和芯片上固定化的生物识别分子结合反应,从而实现对样品的分析和检测生物芯片的发展得益于很多新技术,但基本上源自于两大创新领域的结合。
生物芯片主要包括四个基本要点:芯片方阵的构建,样品的制备,生物分子反应和信号的检测。
芯片制备是先将玻璃片或硅片进行表面处理,然后使DNA 片断或蛋白质分子按顺序排列在芯片上的过程。
生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体,除少数特殊样品外,一般不能直接与芯片反应。
可将样品进行处理,获取其中的蛋白质或DNA ,RNA ,并且加以标记,以提高检测的灵敏度。
生物分子反应为芯片上的生物分子之间的反应,是芯片检测的关键一步。
通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状态中,减少生物分子之间的错配率。
常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中,进行信号检测,以获得有关生物学信息。
2 生物芯片的种类芯片种类较多,根据芯片上的固定的探针不同,生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片;另外根据原理还可分为元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片;以其片基的不同分为无机片基和有机合成物片基;按其应用的不同可以分为表达谱芯片、诊断芯片、检测芯片;按其结构的不同可以分为DNA 阵列和寡核苷酸芯片。
其中应用最多,应用范围最广的生物芯片是基因芯片。
211 基因芯片(G ene chip)所谓基因芯片又称为DNA 微阵列(DNA micro array ),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。
它的工作原理是将样品加在芯片上,通过分子杂交方式对样品进行分析,从而大规模高效地获取相关的生物信息。
基因芯片技术作为一项新技术,具有快速、准确、灵敏等特点,又能同时检测大量样品,在食品安全检测领域必将发挥重大的作用。
基因芯片可同时对数以千计的DNA片断同时进行处理分析。
基因芯片技术的主要特点为:技术操作简单、自动化程度高、序列数量大、检测效率高、应用范围广、成本相对低。
212 蛋白质芯片(Protein chip)蛋白质芯片,又称为蛋白质微阵列(p rotein micro array)是大量的蛋白质分子(例如抗体或抗原分子)或肽链有序排列固定在载体薄片上形成的。
利用蛋白质或肽能特异性地与配体分子(如抗体或抗原)结合的原理,芯片上的蛋白质分子或肽链与样品中的相关成分发生反应,然后加入标记分子,并用阅读仪分析和存储结果,这就是蛋白质芯片的工作原理。
随着生物技术的发展,以蛋白质为研究对象的蛋白组学的研究越来越重要,发展高通量、微型化、自动化的蛋白质检测技术已成必要。
由于蛋白质不能靠扩增的方法达到要求的灵敏度,蛋白质之间的特异作用是利用抗原与抗体反应,没有序列特异性,而只有专一性,所以检测蛋白质沿用基因芯片的模式有一定的局限性。
探针蛋白一般选择单克隆抗体。
蛋白质很难在固相载体表面合成,并且固体表面的蛋白质易于改变空间构象,失去生物活性,所以蛋白质芯片的制作比基因芯片复杂。
构建蛋白质方阵需解决三个问题,一保持蛋白的活性,二保证蛋白质正确定位,三与现存的基因微型方阵研究工具相兼容。
蛋白芯片是近年来蛋白质组学研究中兴起的一种新方法。
它是在基因芯片的基础上发展起来的。
与传统的研究方法相比有以下特点:(1)蛋白芯片是一种高通量的研究方法,能在一次实验中提供大量的信息,使我们能够全而、准确地研究蛋白表达谱;(2)灵敏度高,它可以检测出蛋白样品中微量蛋白的存在,检测水平已达ng级;(3)所需的样品量极少。
213 芯片缩微实验室(Microlab—on—a—chip)芯片实验室,就是将各种功能的芯片集约在同一载体片(通常为硅片)上,形成的(复合)多功能芯片。
在芯片实验室中,各芯片之间是在计算机的控制下通过微流路(microfluid),微泵和微阀等来实现有序联系的。
芯片缩微实验室是集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体,实现生化分析全过程,是生物芯片发展的最高阶段。
不仅能实现分析过程的微量化和集约化,从而节约时间,经费和人力等,工作效率大大提高,同时是具有深远前景的研究课题。
由于芯片实验室是利用微加工技术,浓缩了整个实验室所需的设备,化验、检测以及显示等都会在一块基因芯片上完成,所需样品量微,因此成本相对比较低廉,使用非常方便。
这类仪器的出现将给生命科学研究、疾病诊断和治疗、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品卫生监督、航空航天等领域带来一场革命。
3 生物芯片在食品中的应用前景在食品卫生检验中的应用随着经济全球化的发展,食品卫生检验与动植物检疫技术已成为W TO 贸易技术壁垒(TB T)。
食品的安全性问题已制约了我国农产品的出口创汇能力以及加入W TO后的国际竞争力。
生物芯片技术可以对食品安全状态有一个快速的、科学的、量化的了解,找出食源性疾病的阈值;同时建立进出口食品监督管理的预警和快速反应系统。
DNA芯片在微生物重要基因(毒力基因、抗药基因、致病因子)筛选监测、直接分析细菌基因组进行菌种鉴定与流行病学研究及基因表达中得到了广泛的应用。
同时,DNA芯片对水、食品中所含微生物的种类及有无致病性的检测和鉴定也将发挥重要作用。
311 食品毒理学研究在食品毒理学研究中的应用,传统的食品毒理学研究必须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,这不仅需要消耗大量的动物,而且往往费时费力。
另外,所用的动物模型由于种属差异,得出的结果往往并不适宜外推至人,而且动物实验中所给予的毒物剂量远远大于人的暴露水平,并不能反映真实的暴露情况。
所以,传统的动物实验仅仅是一种粗糙的、不精确的方法。
Agshari等(1999)报道生物芯片技术的应用将在毒理学领域带来一场革命。
生物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分进行分析,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。
312 食品卫生检验经济全球化的发展,食品卫生检验与动植物检疫技术已成为W TO贸易技术壁垒(TB T)。
世界各国无不加大对食品安全的研究,尤其是食品卫生检验技术的完善。
食品的安全性问题已制约了我国91第1期 丁立群等:生物芯片及其在食品安全检测中的应用 农产品的出口创汇能力以及加入W TO后的国际竞争力。
生物芯片技术是检验、检疫中最快速、大通量、最适用的高新技术。
针对检验的内容和对象的不同,检验基因芯片可分为3种:食品卫生检验芯片;植物检验芯片;动物检验芯片。
针对目前存在的对食品安全情况不明、本底不清的状态,建立健全食品安全检验检疫监测体系,对食品安全状态有一个快速的、科学的、量化的了解,找出食源性疾病的阈值:建立进出口食品监督管理的预警和快速反应系统。
生物芯片在以下几个方面表现出良好的应用前景:(1)食品中毒事件的调查;(2)食品污染生物毒素的检测;(3)食品中污染病原菌的检测19;(4)食品中残留农药和抗生素的分析,总之,随着研究的深入,生物芯片技术必将在食品安全保障中发挥越来越重要的作用。
313 食品营养学中的应用在食品营养学研究中的应用,生物芯片技术将在食品营养研究领域中发挥重要作用。
研究疾病发生的基因表达和单核苷酸多态性,有利于总结出疾病预防治疗与营养素、基因产物之间存在的微妙关系,完成此项工作需要依赖高效的生物技术。
利用生物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理论依据。
如营养与肿瘤相关基因表达的研究(抑癌基因表达与突变);营养与心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。
314 转基因食品的检测在转基因食品检测中的应用,自1994年,美国第一个转基因植物产品———转基因番茄获得FDA的批准进入市场以来,转基因农作物在全球内飞速发展。
转基因食品就是用转基因生物生产和加工的食品,也叫基因修饰食品(GM F),可以进一步分为转基因植物食品、动物食品和微生物食品,其中发展最快的是转基因植物食品。
由于转基因食品含有转基因技术导入的外源基因和外源基因在受体内的表达产物,所以对其安全问题争议很大。
目前国际上还没有一份严肃的科学报告证实转基因食品是永久安全的。
因此,对转基因食品进行检测和标识已势在必行。
基因芯片可以检测出食品中是否含有转基因,以及含有何种转基因。
生物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。