基因芯片技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

洪詩然，陳 松

（湖南師范大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410081）

隨著我國(guó)基因工程方面的技術(shù)不斷進(jìn)步完善，基因芯片技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域被研發(fā)并投入應(yīng)用，它是一種集成半導(dǎo)體技術(shù)、信息化技術(shù)及尖端生物技術(shù)的新型檢測(cè)手段，以檢測(cè)基因功能及基因表現(xiàn)性征作為檢測(cè)內(nèi)容。目前在我國(guó)，該技術(shù)正處于研發(fā)完善階段，且在禽畜肉類等食品加工產(chǎn)業(yè)中作為一項(xiàng)示范技術(shù)開始推廣應(yīng)用。

1 基因芯片技術(shù)用于食品檢測(cè)的基本原理

1.1 基因芯片的分類

基因芯片技術(shù)會(huì)根據(jù)用途類型的不同而選擇不同的芯片材質(zhì)。由于它是以支持固相載體內(nèi)植入的方式安裝的，因此根據(jù)支持固相載體的特征不同采用不同的材料，以芯片材質(zhì)可分為以玻璃、陶瓷、硅等制成的無機(jī)物芯片和以尼龍薄膜、纖維素膜、聚丙烯工業(yè)材料等制成的有機(jī)物芯片?；蛐酒峭ㄟ^探針讀取載體的基因信息，根據(jù)讀取感知的功能不同分為寡核苷酸芯片和cDNA芯片。根據(jù)芯片點(diǎn)陣合成技術(shù)不同還分為電定位芯片、原位合成芯片和微矩陣芯片3類。

1.2 基因芯片技術(shù)的基本原理

基因芯片是基于生物芯片技術(shù)基礎(chǔ)上的一種電子化的檢測(cè)裝置，不同的基因自然擁有不同的基因功能和基因表性特征，因?yàn)樗鼈兊幕蚝怂岱肿与s交序列上存在較大出入，因此基因芯片可以用幾種可檢測(cè)出已知的核酸分子雜交衍生序列的探針，對(duì)載體進(jìn)行基因表性檢測(cè)[1]。利用點(diǎn)樣技術(shù)將寡核苷酸或者cDNA按照預(yù)先設(shè)定好的核酸分子雜交衍生列進(jìn)行高密度集成后固定在支持載體的表面，載體表面與探針進(jìn)行雜交后，生物信號(hào)會(huì)被半導(dǎo)體傳感器制成的特殊裝置捕捉到，開展同步記錄并將記錄內(nèi)容回傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，最終得到載體樣本的基因功能與基因表性特征，用這種基因功能與表性特征信息作為判定食品原材料與生產(chǎn)過程中是否存在致病因素的最終依據(jù)。

1.3 基因芯片檢測(cè)的流程

1.3.1 載片制備與樣本制配

將樣本處理提純后得到高純度DNA，而后對(duì)檢測(cè)基因表性特征的高密度寡核苷酸分子雜交序列進(jìn)行標(biāo)記，由于受限于檢測(cè)精度問題，還需要用固相PCR方法對(duì)樣品進(jìn)行擴(kuò)增，并預(yù)檢測(cè)目標(biāo)的基因信息轉(zhuǎn)錄集成在芯片載片的基因文庫內(nèi)。

1.3.2 分子雜交

被標(biāo)記的樣本分子雜交序列在探針處雜交前會(huì)呈雙鏈的形式顯現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過高溫變性后處理為單鏈DNA形式后，再與芯片上的探針進(jìn)行雜交。

1.3.3 雜交信號(hào)檢測(cè)

樣品與探針進(jìn)行充分的雜交后，半導(dǎo)體傳感器會(huì)將這種雜交信息以特殊波長(zhǎng)的電信號(hào)或者熒光信號(hào)的形式體現(xiàn)。根據(jù)傳感器回傳的信號(hào)強(qiáng)弱可以分析處探針與樣本的反應(yīng)程度。若探針與樣本發(fā)生不完全雜交，此時(shí)回傳的電信號(hào)或者熒光信號(hào)較弱；若探針與樣本不發(fā)生雜交反應(yīng)，將不會(huì)捕捉到任何特殊波長(zhǎng)的電信號(hào)或熒光信號(hào)[2]。以熒光信號(hào)舉例，一種高分辨率的熒光掃描儀可以通過計(jì)算機(jī)連接控制讀取到回傳熒光信號(hào)的差異，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析后就可以得出待檢測(cè)樣本的靶基因信息了。

2 基因芯片技術(shù)在食品檢測(cè)中的具體應(yīng)用路徑

2.1 用于轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)

隨著基因工程技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，越來越多的轉(zhuǎn)基因食品技術(shù)相繼問世。轉(zhuǎn)基因食品是以在特定的生物本體內(nèi)引介入外源的基因組的方式，使特定的生物物種獲得相應(yīng)的新基因表性的一種生物技術(shù)，經(jīng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)處理后的物種作為新型種植育種，由這種育種所生產(chǎn)加工的食品就叫做轉(zhuǎn)基因食品。轉(zhuǎn)基因食品按轉(zhuǎn)基因功能分為增產(chǎn)型、控熟型、加工型、高營(yíng)養(yǎng)型和新品種型等幾個(gè)類型轉(zhuǎn)基因食品。出于對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展過快所導(dǎo)致的不可預(yù)估結(jié)果的擔(dān)憂，目前國(guó)際上普遍認(rèn)為尚無證據(jù)表明轉(zhuǎn)基因食品長(zhǎng)期發(fā)展后的新物種對(duì)人們的健康完全無害。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的多向性與不可預(yù)估性可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因后的生物物種產(chǎn)生多種毒性物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)分子、溶血?jiǎng)┖臀粗窠?jīng)毒素等，嚴(yán)重的甚至?xí)蛑卸径鹑梭w生理功能衰竭死亡，如目前已發(fā)現(xiàn)的一種轉(zhuǎn)基因木薯發(fā)生了毒素蛋白過量繁殖的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)基因食品中含有的部分物質(zhì)成分，很難確保轉(zhuǎn)基因食物不會(huì)出現(xiàn)過敏或者抗生素抗性等危害性特征。因此國(guó)際上對(duì)轉(zhuǎn)基因食品采取的監(jiān)管檢測(cè)制度十分嚴(yán)格，要求轉(zhuǎn)基因食品必須以說明標(biāo)簽的形式加以體現(xiàn)。食品監(jiān)督部門和食品加工單位需要可靠、經(jīng)濟(jì)且高效的轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)技術(shù)方法[3]。在新型技術(shù)的基因芯片法出現(xiàn)前，對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的基因芯片檢測(cè)都是以PCR擴(kuò)增法進(jìn)行的，但這種方法每次只能對(duì)單獨(dú)的一種轉(zhuǎn)基因食品成分進(jìn)行檢測(cè)，若是同時(shí)存在多種待檢測(cè)項(xiàng)目時(shí)，需要多次重復(fù)檢測(cè)完成，檢測(cè)的效率低下，還容易受到樣本交叉污染問題影響檢測(cè)準(zhǔn)確度。而采用基因芯片檢測(cè)法，可以在檢測(cè)載片上制備多種檢測(cè)片段，以不同的探針進(jìn)行區(qū)分，一次可以對(duì)轉(zhuǎn)基因食品中的多種成分進(jìn)行檢測(cè)。以農(nóng)作植物來源的轉(zhuǎn)基因食品為例，可以選擇卡那霉素抗性基因、花椰菜花葉病毒、葡萄糖醛酸核苷酶等多種檢測(cè)片段，在緩沖液中進(jìn)行擴(kuò)增和標(biāo)記，以此檢測(cè)待檢農(nóng)作物中是否含有轉(zhuǎn)基因成分。這種多檢測(cè)片段的基因芯片檢測(cè)法，最多可以同時(shí)檢測(cè)出玉米中Bt176、Bt11、GA21等7種轉(zhuǎn)基因成分，且檢測(cè)精度極高，最高可達(dá)0.1%含量的有效檢測(cè)精度。

2.2 用于禽畜類病疫及致病性細(xì)菌檢測(cè)

除了轉(zhuǎn)基因食品外，基因芯片技術(shù)還可以被應(yīng)用在禽畜類病疫及致病性細(xì)菌微生物檢測(cè)上。傳統(tǒng)的PCR擴(kuò)增法只能對(duì)單一種類的細(xì)菌微生物進(jìn)行擴(kuò)增檢測(cè)，但禽畜肉類食品中的病疫源復(fù)雜多樣，例如巴氏桿菌和黃病毒科的各種致病病毒所導(dǎo)致的禽畜類病疫。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法下很難應(yīng)對(duì)如此種類復(fù)雜，待檢工作量大的禽畜類食品檢測(cè)工作，特別是對(duì)一些未知致病病毒與毒性微生物的檢測(cè)收效甚微。新型的基因芯片檢測(cè)技術(shù)利用rDNA生物基因的高保守性，將已知常見的幾種致病病毒的差異序列作為檢測(cè)靶基因，進(jìn)行禽畜類的病疫檢測(cè)，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)感染病疫的禽畜肉制品。因此在我國(guó)食品安全管理工作中，被廣泛應(yīng)用于防止未經(jīng)檢疫合格的攜帶有口蹄疫、傳染性肺炎、高致病性禽流感、鼠疫和豬瘟等多種禽畜類病疫的肉類食品非法流入市場(chǎng)方面上。此外還可以將致病性細(xì)菌在16S rDNA上的共同序列部分作以標(biāo)記，以此標(biāo)記作為樣本感染致病性細(xì)菌微生物的感染特征，以這種感染特征生物雜交序列作為探針，利用堿基互補(bǔ)的生物學(xué)原理，識(shí)別到食品基因混合物中的特定感染基因，從而檢測(cè)出食品在加工生產(chǎn)中攜帶致病性或毒性細(xì)菌的種類與含量。這種用于檢測(cè)細(xì)菌病原菌的基因芯片檢測(cè)技術(shù)識(shí)別敏感度非常高，最高可以精準(zhǔn)識(shí)別出樣本中每mol中數(shù)量為56的細(xì)菌菌落。此外，若是對(duì)基因芯片技術(shù)作以改進(jìn)調(diào)整，該技術(shù)還可利用幾種常見多發(fā)的毒性細(xì)菌的序列共性特點(diǎn)，用于對(duì)導(dǎo)致突發(fā)的急性食物中毒事故的毒性微生物進(jìn)行快速識(shí)別診斷上，以便第一時(shí)間對(duì)食物中毒導(dǎo)致危重的病人實(shí)施醫(yī)療搶救。

3 基因芯片檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 檢測(cè)效率極快，精度極高

與傳統(tǒng)的食品檢測(cè)方法相比，基因芯片檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)效率擁有絕對(duì)的精度優(yōu)勢(shì)與效率優(yōu)勢(shì)。常規(guī)的食品檢測(cè)方法中的細(xì)菌培養(yǎng)法，需要對(duì)食品樣本中的菌落進(jìn)行人工繁殖，只有送檢樣達(dá)到一定的種群密度時(shí)，才能對(duì)其進(jìn)行生物鑒定和血清分型。而且不同的致病性細(xì)菌或者毒性微生物的活性會(huì)因培養(yǎng)環(huán)境的變化而變化，從而使檢測(cè)結(jié)果發(fā)生偏差，且通常情況下這種鑒定方法取得檢測(cè)結(jié)果需要數(shù)天乃至數(shù)周的時(shí)間，但基因芯片檢測(cè)技術(shù)得到檢測(cè)分析結(jié)果，需要探針與樣本雜交過程完成，往往只需要6～12 h就能夠得到較為精準(zhǔn)的檢測(cè)結(jié)果[4]。另一方面，它還能補(bǔ)充解決了PCR無法多項(xiàng)擴(kuò)增的技術(shù)難題，使應(yīng)用基因芯片的檢測(cè)技術(shù)可以同時(shí)對(duì)一種待檢食品樣本進(jìn)行多種檢測(cè)項(xiàng)目的檢測(cè)，效率較高，擁有比傳統(tǒng)細(xì)菌培養(yǎng)法更高的檢測(cè)準(zhǔn)確度。

3.2 減低了食品檢測(cè)的難度與工作量

傳統(tǒng)的食品檢測(cè)方法是以大量復(fù)雜的微生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)的，在這樣的檢測(cè)技術(shù)下，檢測(cè)難度主要來自于實(shí)驗(yàn)過程中的環(huán)境變量控制，如恒溫控制、濕度控制、培養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)控制等，在檢測(cè)中也需要多次的實(shí)驗(yàn)觀察才能最終得出檢測(cè)結(jié)果。而應(yīng)用了基因芯片檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)方法，只需要一次探針雜交就能輕松完成，探針雜交信息是由傳感器同步回傳的熒光信息或電信號(hào)作為檢測(cè)反饋的，再經(jīng)高分辨率的檢測(cè)設(shè)備或控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，最后由計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理，得出精確的檢測(cè)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)記錄相比，在檢測(cè)結(jié)果讀數(shù)上更加直觀，使檢測(cè)難度與工作量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)[5]。

3.3 成本經(jīng)濟(jì)低廉

傳統(tǒng)的食品檢測(cè)需要大量的大型實(shí)驗(yàn)室儀器工具，用于進(jìn)行微生物鑒定的檢測(cè)設(shè)備造價(jià)成本不菲。而基因芯片只采用硅片、玻璃、陶瓷、工業(yè)塑料或尼龍材料等造價(jià)低廉的材質(zhì)制成，且載片尺寸非常小，體積上遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)食品檢測(cè)方法的大型儀器設(shè)備，并且可重復(fù)使用性極高。一種熒光信號(hào)式的基因芯片技術(shù)，僅需要一個(gè)預(yù)制好的小型芯片作為樣本載體，一臺(tái)高分辨率熒光檢測(cè)設(shè)備用于技術(shù)檢測(cè)，若是能在食品檢測(cè)中廣泛應(yīng)用，一定可以大幅縮減食品檢測(cè)的技術(shù)成本。

4 結(jié)語

基因芯片是一種利用尖端技術(shù)反應(yīng)基因表性特征的成熟檢測(cè)技術(shù)，除了本文提及的應(yīng)用路徑外，在其他多個(gè)食品檢測(cè)領(lǐng)域中均能起到提高檢測(cè)效率與檢測(cè)精度的作用。因此需要食品檢測(cè)行業(yè)通過技術(shù)研發(fā)拓展基因芯片的應(yīng)用潛力，從食品原料檢測(cè)以及致病微生物菌類檢測(cè)兩個(gè)方面著手，更好地保障食品生產(chǎn)加工安全。