一次实验判断食品中病原菌污染

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：生物芯片技术是伴随着“人类基因组计划”的完成而发展起来的一项重大技术革新。生物芯片包含的种类较多，目前尚未有完全的统一分类方式。将整个生化检测分析过程缩微到芯片上的“芯片实验室”是生物芯片技术发展的最终目标。而生物芯片技术可以将这些病原菌的特异性致病基因片段固定于一块芯片上，只需一次实验就可以判断出食品中各种病原菌的污染情况。

生物芯片技术是伴随着“人类基因组计划”的完成而发展起来的一项重大技术革新。在人类基因组计划实施初期，随着越来越多的基因序列被测定，紧接着要做的就是要准确确定不同基因的具体功能（又称后基因组计划）。而要确定如此数目众多的基因群的功能，传统的核酸分子杂交技术如Southern印迹杂交与Northern印迹杂交等就显得力不从心，因而迫切需要建立一种高效、快速、准确、自动化的基因分析系统，以解决后基因组研究中的难题。20世纪80年代初，有人提出将寡核苷酸分子作为探针并集成在硅芯片上的设想，直到20世纪90年代Fodor等才研制出基因芯片。自此以后，生物芯片技术迅速发展。

所谓生物芯片就是通过光导原位合成方式将大量生物分子有序固化在支持物表面，然后组成密集二维分子并排列，与已标记的待测生物样品杂交，最后通过特定仪器的高效扫描和计算机数据分析计算等构建的生物学模型。

（一）基本原理与种类

生物芯片是运用基因信息、分子生物学技术、表面化学和分析化学等原理，以硅片、玻璃载片或高分子材料为基质进行设计和加工，所制作的高科技器件，其工作原理是将许多特定的探针（基因片段或抗体）有规律地排列、固定于支持物上，然后通过与待测的样品按碱基配对，抗原抗体作用原理进行杂交和反应，再通过检测系统对其进行扫描，并用相应软件对信号进行检测和比较，得到所需的大量信息，进行基因高通量、大规模、平行化、集约化的信息处理和功能研究。

生物芯片包含的种类较多，目前尚未有完全的统一分类方式。根据作用方式可分为主动式芯片和被动式芯片。主动式芯片是指将生物实验中的样本处理、样本纯化、反应标记及结果检测等多个实验步骤集成为一步反应完成。这类芯片包括微流体芯片（microfluidic chip）和缩微芯片实验室（lab on chip）。而被动式芯片则是指把生物实验中的多个实验集成，操作步骤跟主动式芯片相同，特点是高度的并行性。在大多数情况下，根据固定在载体上的物质类别分为以下几类：基因芯片[又称DNA芯片（DNA chip）或DNA微阵列（DNA microarray）]，是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成；蛋白芯片，是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上；细胞芯片，是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用；组织芯片，是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。将整个生化检测分析过程缩微到芯片上的“芯片实验室”是生物芯片技术发展的最终目标。

（二）工作流程

（1）构建芯片　构建芯片是通过表面化学方法和组合法来处理芯片，然后将基因片段和蛋白质分子按照顺序排列在芯片上。由于芯片种类较多，所以制备方法各不相同，主要有微矩阵点样法和原位合成法两种。其中，微矩阵点样法是通过液相化学合成寡核苷酸链探针，然后通过阵列复制器将紫外线交联固定后得到芯片；原位合成法主要是通过光导化学合成技术在载体表面合成寡核苷酸探针。

（2）样品制备阶段　这一过程主要是复杂生物分子合体，所以要进行生物处理。

（3）生物分子反应　这是芯片检测比较关键的步骤，反应过程需要满足高盐浓度、低温和长时间这三个条件。

（4）反应图谱的检测和分析　当生物芯片和荧光标记目标基因杂交之后，就可以通过激光共聚焦扫描芯片把芯片测定结果转换成图像或数据。(www.chuimin.cn)

（三）生物芯片在食品安全检测中的应用

（1）生物芯片在食品中毒事件调查中的应用　通常食品中毒事件的发生是突发性和暴发性的，对这类事件的处理，首先要找到“毒源”（即致病因子），而致病因子又往往不容易发现。例如，对于由细菌引起的食品中毒事件的调查，由于能引起食品中毒的细菌种类很多，因此要判断到底是哪种细菌引起的食品中毒常常需要耗费大量的人力和物力来进行分析，更主要的是需要很长的检测时间才能得到检测结果，这对于食品中毒事件的控制和中毒人员的及时治疗都是不利的。如果能将常见的引起食品中毒的细菌特异性DNA片段集成于一块载体薄片上做成DNA芯片，那么有可能仅需一次实验就可以判断出引起食品中毒的细菌种类，从而大大地节约检测时间和检测费用。

（2）生物芯片在农产品和食品生物毒素污染检测中的应用　食品中可能污染的生物毒素包括真菌毒素、细菌毒素、植物毒素、藻类毒素和动物毒素等，其中每一类毒素又包括很多种。以粮食为例，导致其被污染的真菌毒素有黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、杂色曲霉毒素、腐马菌素和T-2毒素等几种甚至十几种，而目前的检测方法，每次实验通常仅能检测出一种毒素的含量，因此为了节省检测时间和费用，一般仅对其中的一种或几种真菌毒素进行检测和分析。如果能将抗常见真菌毒素的抗体集成于一块蛋白质芯片上，那么仅需一次试验就可以判断出粮食中常见的污染真菌毒素的种类和含量。同样也可以将常见的细菌毒素和藻类毒素等的抗体分别制成芯片或集成于一块芯片上。

（3）生物芯片应用于食源性病原体的检测　凡是通过摄食而进入人体的病原体，使人患感染性或中毒性疾病，统称为食源性疾病。据世界卫生组织估计，在数以亿计的食源性疾病患者中，大约70%是由致病性微生物污染的食品和饮水所致。在水产品、奶制品、禽肉及其制品中，常见的病原微生物如霍乱弧菌、副溶血性弧菌、单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157、炭疽杆菌、绿脓杆菌、结核分枝杆菌、SARS病毒、禽流感病毒等均可导致严重的疾病，威胁人类健康。

传统方法对各种导致食品腐败的致病菌的检测，多采用细菌培养、生化鉴定、血清分型、PCR等方法，检测指标单一，花费时间长，有时不能确定是何种病原体造成的感染。而生物芯片技术可以将这些病原菌的特异性致病基因片段固定于一块芯片上，只需一次实验就可以判断出食品中各种病原菌的污染情况。由于其具有高通量、高灵敏度和高特异性等优点，可以及时反映食品中微生物的污染情况，因而获得了人们的青睐。

（4）生物芯片在食品营养学中的应用　饮食和个体差异之间的关系对基因表达的影响是非常巨大的，目前营养学家将他们的研究领域从流行病学和生理学转向营养基因组学。营养基因组学主要是根据人类基因组以及决定营养物与机体之间相互作用的基因谱来研究；营养遗传学则是根据个体之间的遗传决定的代谢差异来研究。二者均旨在以个性化饮食来促进人类健康以及防止与营养相关的疾病。

目前许多食品营养学已经开始应用生物芯片技术、生物信息学等探讨营养物对基因表达的影响以及健康食品的作用机制，这些新技术与营养基因组学的结合有助于饮食健康，它提供了新的知识来改善饮食结构、发现新的天然成分来防治疾病（如癌症和糖尿病等）。

总之，随着研究的深入，生物芯片等生物技术必将在食品安全保障中发挥着越来越重要的作用。

一次实验判断食品中病原菌污染

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