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1、基因芯片技术在食品安全检测中的应用杨喻晓,张文,丁美会,沈立荣(浙江大学生物系统工程与食品科学学院食品科学与营养系,浙江 杭州 310029)摘 要 :基因芯片技术作为一种新的检测技术,已经广泛应用于生命科学、 医学和农业领域,并开始逐步应用于食品安全检测领域。主要介绍了基因芯片技术在食源性致病微生物和转基因食品检测中的应用 、 研究进展及存在问题,并进行了讨论。关键词 :基因芯片 ;食品安全 ;检测 ;致病微生物;转基因食品中图分类号:TS 201.2 ;Q 789 文献标识码:A 文章编号 :1007 - 7561(2009)01 - 0068- 03The application of
2、the genechip technique in food safety detectionYANG Yu2xiao, ZHANGLi 2wen, DIN Mei2hui , SHEN Li2rong(Departmentof food ScienceandNutrition , ZhejiangUniversity, HangzhouZhejiang 310029)Abstract :As a new detectiontechnique,genechip hasbeenappliedwidely in life science,medicineandagri2culture. Its a
3、pplicationhasbeenstartedgraduallyin food safetydetection.Thispapermainly introducedits ap2plication and researchprogressin foodbornepathogenicmicroorganism and geneticallymodified food. The ex2isted problemswerediscussedals o.Key words :genechip ; food safety; detection; foodbornepathogenicmicroorga
4、nism ; geneticallymodifiedfood基因芯片技术是20 世纪 90 年代兴起的前沿性生物技术 ,该技术具有快速、 高效 、 大规模 、 高容量 、高并行性等特点,其研究结果具有高度的特异性、 灵敏性和重复性,为生命科学、 医学等领域的研究提供了一个强有力的工具。本文对基因芯片技术在食品安全检测方面的应用进展作一介绍。1 基因芯片技术概述1. 1 基因芯片原理基因 芯 片 ( Gene chip) , 又 称 DNA 芯 片 ( DNAchip) 或DNA微阵列 (DNA microarray),属于生物芯片(Biochip)的一种 ,它综合运用了微电子学、 物理学 、化
5、学及生物学等高新技术,把大量基因探针或基因片段按照特定的排列方式固定在硅片、 玻璃 、 塑料或尼龙膜等载体上,形成致密 、 有序的 DNA 分子点阵 。因其固相载体常用硅玻片或硅芯片,故称之为基因芯片1 。基因芯片可广泛应用于DNA 测序 ,基因表达和表达差异 ;基因突变和基因组多态性检测;病原分析 ;基因诊断和疾病预后分析;病理学 、 毒理学 、 药理学 、 疫苗研究和肿瘤研究等多个方面。近几年来基因芯片技术已开始应用于食品安全的检测。1. 2 基因芯片的分类收稿日期:2008 - 01 - 25基金项目:科技部863计划资助(2007AA10区324)作者简介:杨喻晓(1983-),男,河
6、北藁城人,硕士研究生.通讯作者:沈立荣(1960- ) ,男,浙江杭州人,博士,副教授.基因芯片按其功能可分为表达谱基因芯片、 诊断芯片和检测芯片;根据芯片点样方式的不同,可分为原位合成芯片、 微矩阵芯片和电定位芯片;根据芯片所用探针的不同可分为寡核苷酸芯片和cDNA芯片 。1. 3 基因芯片制备方法基因芯片技术主要包括三个基本环节: (1)芯片制备 :采用表面经过化学处理的固相载体如玻片或硅片作为芯片片基,将 DNA 片段按特定顺序排列在片基上 ;(2) 样品制备与杂交:生物样品一般不能直接与芯片进行反应,因此必须将样品作特定生物处理 ,获取其中的DNA 或 RNA 信息分子并加以标记,然后
7、选择合适的反应条件,使样品分子与靶标分子产生杂交反应。(3) 芯片的检测与分析:目前最常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中,通过采集各反应点的荧光强弱和荧光位置,经软件分析 ,获得相关生物信息。2 基因芯片在食品安全检测方面的应用2. 1 基因芯片在食源性致病微生物检测中的应用细菌 、 病毒和真菌等微生物引起食品安全问题的重要危害因素,严重威胁人类的健康。目前传统食源性微生物的检测方法主要包括前增菌培养、 分离 、 生化鉴定和血清型鉴定等程序,过程繁琐,而且操作相对独立,很难及时、 高通量的对食品进行检测 。食源性病毒的检测方法主要有传统方法(主要是病毒分离培养和电镜观察) 、 免疫
8、检测方法和PCR为主的核酸检测方法2 ,PCR 核酸检测技术是目前86科技知识粮油食品科技第17卷2009年 第1期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 的主要方法,具有灵敏 、 快速和定量检测的优势。但PCR方法很难满足多病毒同时检测的要求,且存在易污染 、 假阳性高等缺点。因此 ,有必要建立高灵敏度 、 高通量的食品微生物监测体系。基因芯片技术具有高通量、 高灵敏度和高特异性等优点 ,具有传统检测方法不可比拟的优越
9、性。该技术可以对食品中的致病菌实行高通量和并行检测 ,一次实验即可得出全部的检测结果,且操作简单快捷 、 特异性强并且敏感性高,整个检测在几个小时内即可得到检测结果。预计基因芯片检测食源性致病微生物技术将广泛应用于出入境检验检疫、 食品质量控制 、 突发食品安全事件检测,为食品安全提供更有力的技术保障。据现有报道,顾鸣等人曾采用复合PCR方法扩增了致病菌特异性DNA 片段 ,结合制备出含有11种不同致病菌特异性核苷酸探针的基因芯片,并应用于不同食源性致病菌鉴定,检测灵敏度达620cfu/ g ,特异性高,芯片质量稳定3。靳连群等采用合成后点样的方法制成用于致病菌检测的基因芯片 ,在相同条件下,
10、扩增了涉及12 个菌属的151 株细菌的 16SrDNA 基因片段并与基因芯片杂交,对得到的扫描图进行分析,并得到一套属( 种) 特异的典型杂交图谱 。该方法的主要原理是将待检的样品菌与基因芯片进行杂交,通过将杂交结果与典型图谱比对判断出样品种类。根据其对实际样品中所分离细菌检测结果,准确率达到了96. 2 %4 。Borucki 等构建了一个包括24 种L. monocytogenes菌株 ,585 个探针组成的基因组芯片。结果表明,该基因组芯片适用于区分近缘的L. monocytogenes,与脉冲电泳技术分型结果基本一致。这种区分遗传标记的功能可用于流行病学并有可能应用于发病机理研究5
11、。周琦等以S ARS 冠状病毒TOR2 株序列为设计标准 ,研制出了含有660 条病毒探针,探针覆盖了S ARS冠状病毒全部序列,该技术可有效的应用于S ARS冠状病毒的检测7 。李健等对7 种动物冠状病毒进行了大量基因克隆,经过反复筛选,选择多个无交叉特异探针片段建立了冠状病毒同步检测与鉴别的基因芯片技术。通过对比实验发现,该技术敏感性高 、 通量大 、 结果直观 ,比传统 PCR法敏感 1000倍 ,可以同时检测动物样品是否感染冠状病毒以及确定是何种冠状病毒8 。Wang等发明了一种可以同时 、 快速检测新城疫致病病毒和H5、 H7 禽流感病毒的寡核苷酸芯片。为了保证芯片的灵敏性和特异性
12、,他们针对同一基因,采取多种探针涵盖多种病毒株 ,或者提供多重确认的基因型。这种芯片技术为识别和区分两种重要的人畜共患病毒,提供了一种新的检测途径,可以用来筛选野生或者家禽这两种病毒携带者9 。2. 2 基因芯片在转基因食品的检测中的应用转基因食品是用转基因生物技术生产和加工的食品 ,也叫基因修饰食品( G MF) ,具体包括2 类 :包含基因修饰组分的食品和食品基料;由基因修饰生物生产 ,但并不包含基因修饰组分的食品10 。转基因食品作为一种新型的食品种类,其安全性一直是人们所关心的热点。但目前还没有足够的科学证据证明转基因食品对人类健康无害。因此 ,我国和欧共体国家规定对转基因食品必须进行
13、标识,对进口转基因食品必须进行检测。转基因检测技术的研究是当前生物技术领域的热点 。普通的 PCR检测以及其他检测方法都可对一个或几个基因进行检测,但随着转基因技术的发展应用 ,转基因元件数量和种类的不断增多,PCR方法在检测容量上已逐渐难以满足检测需要。而基因芯片技术的飞速发展和应用为转基因农产品的高通量检测提供了有效的技术平台。一般将转基因技术中通用的报告基因、 抗性基因 、 启动子和终止子等特异性片断点制成基因芯片与待测产品DNA 进行杂交 ,就可很方便地判断待测样品是否为转基因产品。黄迎春等研制出一种用于检测转基因作物的基因芯片 ,该芯片选用了两种常用报告基因、 两种抗性基因 、 两种
14、启动子序列和两种终止子序列作为探针。利用该芯片对4 种转基因水稻、 木瓜 、 大豆 、 玉米进行检测 ,结果表明,该芯片能对转基因作物做出快速 、 准确的检测11 。刘火 亘等为提高对转基因大豆的监督检测能力,研制了转基因大豆的DNA 检测芯片 。根据转基因大豆Roundup Ready中所转入的外源基因序列设计特异性引物,采用多重PCR法对待测样品进行扩增,合成探针并制备成基因芯片。检测结果表明,该方法具有较好的特异性和重复性,灵敏度可达0. 5 %;由于采用了多重PCR技术 ,一次可同时 检 测 多 个 基 因 ,提 高 了 检 测 的 准 确 性 和 效率12 。Leimanis等研制出
15、一种可同时检测9 种转基因生物的基因芯片,对所用靶基因用生物素进行了标记 ,通过比色法进行检测。通过 5 次不同实验检测其灵敏性,结果表明该芯片灵敏度达0. 3 % ,大部分达到 0. 1 %。该芯片监测系统符合现行的欧盟和其他国家转基因检测要求13 。3 总结与展望基因芯片技术作为一种新技术,具有高通量、 快速 、 灵敏的优点,可以同时平行检测大量样本,因此其在食品安全检测中的应用越来越多,但目前仍然存在很多亟需解决问题,主要包括 : 基因芯片技术需要昂贵的制作和检测系统、 高素质的专业操作人员 ,成本价格高,实验操作技术复杂的,因此难以应96粮油食品科技第17卷2009年 第1期科技知识名
16、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 用广泛 ; 由于荧光法标记的重复性和灵敏性较好,基因芯片技术大多采用荧光标记,但该方法要求较高 ,费用昂贵 ,不利于普及。 在食品安全检测中基因芯片技术可以很好地应用于定性分析,但定量分析还须与常规方法结合起来,如 :大肠杆菌菌落总数 、 转基因成分含量分析等。 目前基因芯片检测技术的相关标准程序尚待制定和完善。此外 ,受特异性限制 ,基因芯片难以应用于转基因产品外在粮油安全检测,广
17、泛应用的基因芯片检测技术尚待进一步研究 。随着新技术的发展,生产和应用成本的降低,标准化和普及化基因芯片技术的不断推出,预计基因芯片技术在食品安全检测中应用将日趋广泛,在不久的将来可望实现用一张基因芯片即可对所有食源性致病微生物进行定性检测,并根据检测信号高低进行定量分析。参考文献 :1 Chen J J ,Wu R,Yang P C ,et al. Profiling expressionpatternsand isolat2ing differentially expressedgenesby cDNA microarray systemwith col2orimetry detectio
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