生物芯片及其在食品中的应用

一生物工程 二工案 生物芯片及其在食品中的应用 西南农业大学食品学院(重庆400716) 蒲海燕 刘春芬 贺稚非 摘 要 生物芯片技术是 20世纪90年代发展起来的一门微量技术 。 因具有准确、快速、大信息量 等特点而发展迅速。此文就生物芯片的特点、类型、在食品q-的应用以及存在的问作简要介绍 。 关键词 生物芯片 食品 应用 Abstract The technique of biochip was developed in 90s 20th as a new micro-analysis technology ． It devel0 very qu ickly for precision、celerity and big capacity ．This article gave a brief introduction t0 the maj0r types、the current application and limitation of biochip． Keywords biochip food application 生物芯片技术概念起源于20世纪 80年代后期， 是90年代中期的重大科技进展之一，1996年美国旧金 山affymetrix公司灵活运用了照相平板印刷、计算机、 半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标记探 针杂交等多学科技术创造了世界上第一块基因芯片， 之后该技术在研究和应用上得到了飞速的发展．目前 世界上有数千家大公司在从事生物芯片的研究和开发 工作，这类仪器的出现将给生命科学研究、疾病诊断、 新药开发、司法鉴定、食品卫生监督、航空航天等领域 带来一场革命。因此生物芯片现已成为各国学术界和 工业界所瞩目的一个研究热点。 l 生物芯片的概念及其特点 1．1 生物芯片的概念 生物芯片(biochip)是指采用光导原位合成或微量 点样等方法，将大量核酸片段或多肽分子等生物样品 有序地固化于支持物(玻片、硅片等载体)表面，组成密 集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶 分子杂交，通过特定的仪器如激光共聚焦扫描仪或电 荷偶联摄影像机 (CCD)对杂交信号的强度进行快速、 并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的种类 和数量。由于常用硅片、玻片作为固相支持物，且在制 备过程中模拟了计算机芯片的制备技术，所以称之为 生物芯片技术“】。 1．2 生物芯片的特点 1．2．1 对于基因芯片和蛋白质芯片来说，是将成千 上万种探针序列或抗体蛋白按照严密的点阵固定 在一个基因载体上，即一次反应可以进行高通量的检 测。这不仅省去了大量的重复操作的费用和时间，也 可以用很少的被检样品(有时是很珍贵的)能得到其包 含的很多生物信息。这是传统的其它检测方法 (如核 酸杂交、抗原抗体免疫反应等)不可比拟的，更主要的 是生物芯片的检测过程是平行的，即对生物样品同一 时相的众多信息在完全相同的条件下进行检测，因此， 所得结果可能更加接近生物体内的实际情况。同时也 增强了各种信息间的可比性 J。 1．2．2 多样性 可在单个芯片上进行样本的多方面分析比较，排 除了一系列复杂因素导致的各比较实验的内在差异， 使一次性多样本比较性分析的精确性大为提高。 1．2．3 微型化 微缩实验芯片可以将生命科学研究所涉及的许多 不连续的分析过程汇集在一起，使之连续化、微型化， 能够完成从生物样品的制备到生物活性物质的分离、 浓缩、扩增及最后检测所有步骤的集成化、一起化，同 时，因为芯片多为一次性使用，故可以避免样品之间相 互污染的可能。 1．2．4 自动化 整套芯片系统成高度自动化装置，这样不仅 保证芯片制造质量稳定，而且使研究结果更加客观、准 确，也使得实验操作更简便，大大缩短实验时间b1。 2 生物芯片的分类 生物芯片按载体材料可分为玻璃芯片、硅芯片、陶 瓷芯片；按点样方式不同，可分为原位合成芯片、微矩 阵芯片(分喷点和针点)和电定位芯片三类；按功能和 一 一 _． 一 一．． 一 一 — 一 一 一1．一 一 ， ， ， ，一 ， 一 一 一 ， ． ， ． 一 ． 一 _．1 — 一 一● 一 【8】徐云升 ．可食用膜的研制 ．食品工业科技，1998 食品科学，2001，22(9)：33～35 (3)：39～40 【9】陈连欣，邓凤香，于徊萍 ．食用壳聚糖一淀粉膜的 研究 ．粮油食品科技，1996，(1)：23～24 【10】吉伟之，张竣，熊何建等．壳聚糖成膜特性的研究． 【ll】林宝凤 ．壳聚糖成膜剂特性研究 ．食品与发酵工 业，1998，24(1)：44～47 【l2】瞿秀静，刘晓霞，李艺等 ．壳聚糖制膜研究 ．化学 世界，1995，36(6)：302～305囤 金 壬业)2005年第 期 维普资讯 http://www.cqvip.com 矗工案 一生物工程 用途不同可分为诊断芯片、测序芯片、表达谱芯片和基 因差异表达分析芯片等 。最常见的分类方式还是按 芯片固定的生物分子可以将生物芯片划分为基因芯 片、蛋白质芯片和芯片实验室。 2．1 基因芯片(gene chip) 基因芯片又叫 DNA芯片(DNA chip)、DNA微集芯 片(DNA micro chip)，DNA阵列 (DNA array)、DNA微 集阵列(DNA microarray)等。由于 DNA是一种寡核苷 酸，所以也称为寡核苷酸阵列或芯片(oligonucleotide array)151a基因芯片是 目前国内外研究开发最为迅速、 应用最为广泛的一种芯片，它具有高通量、高信息量、 快速、样品用量少、造价低、用途广泛等优点。基因芯片 的主要原理是：将大量的探针分子固定在支持物上，根 据碱基互补配对原理，与标记的样品分子杂交，检测杂 交信号的强度及分布，获取样品分子的数量和序列分 析信息。它综合应用了生物学、化学以及工程技术科学 等学科的众多相关技术。这一技术是由美国Affymetrix 公司率先研制出来的。 2．2 蛋白质芯片(protein chip) 蛋白质芯片是二维芯片中除基因芯片外使用最为 广泛的一种。其制备原理与基因芯片相似，不同之处在 于：(1)芯片上固定的分子是蛋白质(如抗原、抗体等)； (2)检测的原理是依据蛋白分子、蛋白与核酸、蛋白与 其他分子的相互作用。蛋白质芯片又可进一步分为“捕 获式蛋白质芯片”和“交互式蛋白质芯片”两种。蛋白质 芯片技术尚处于发展时期，酵母蛋白质组芯片是迄今 为止第一个包含一种生物全部蛋白质分子的蛋白质芯 片 。 2．3 芯片实验室(1aban-a-chip) 芯片实验室又称微流体芯片(microfluidics chip)、 微电子芯片(microelectronic chip)，是生物芯片研究领 域的热点和最终发展目标，最接近生物芯片概念的核 心理念，它是高度集成化的、集样品制备、基因扩增、核 酸标记及检测为一体的便携式生物分析系统 ，它所需 的设备、化验、检测以及显示等等都会在一块芯片上完 成，从而使现有烦琐的、不精确的生物分析过程自动 化、连续化和微缩化，成本极为低廉，使用非常方便 。 3 生物芯片在食品中的应用 3．1 食品卫生检验 随着人们生活水平的提高 ，食品安全性问题越来 越受到重视，加入WTO以后食品的安全性问题己制约 了我国农产品及其加工产品的出口创汇能力 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。针对检验对象的不同设计不同的探针微阵列。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 ． 一 壬些 20o5±量 塑 食品监督管理的预警和快速反应系统 。 食品营养成分的分析(蛋白质)、食品中有毒 、有害 化学物质的分析、食品中污染的致病微生物种类和数 量的检测，食品中生物毒素(细菌、真菌毒素)的检测等 大量的监督检测工作几乎都可以用生物芯片来完成。 3．2 食品营养机理的研究 生物芯片技术将在食品营养研究领域中发挥重要 作用。利用生物芯片技术研究营养素与蛋白和基因表 达的关系，将为揭示肥胖的发生机理及预防打下基础； 营养与肿瘤相关基因表达的研究，为揭示抗病和预防 机理提供理论依据。如癌基因、抑癌基因的表达与突 变；营养与心脑血管疾病关系的分子水平研究；营养与 高血压、糖尿病 、免疫系统疾病、神经、内分泌系统关系 的分子水平研究。还可以利用生物芯片技术研究金属 硫蛋白／金属硫蛋白基因以及锌转运体基因等与锌等 微量元素的吸收、转运与分布的关系；视黄醇受体／视 黄醇受体基因与维生素A的吸收、转运与代谢的关系 等 。 3．3 转基因食品的检测 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 在全球飞速发展 ，2000年种植面积就达到了4420万公 顷，而且将来还会增加。由于转基因食品含有转基因技 术导人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 严肃的科学证实转基因食品是永久安全的。世界 许多发达国家相继立法要求对转基因食品进行标注销 售，我国卫生部于2002~1E3月也作了转基因食品标注销 售的规定。对转基因作物或转基因食品的检测和鉴定 不仅成为满足公众知情权和选择权的必要技术，而且 也是相关法规的必然要求。传统的检测方法如PCR和 ELISA存在步骤复杂，准确度差等缺点。生物芯片能同 时检测成百上千种生物大分子，具有高通量、微型化、 自动化和信息化的特点，是转基因检测的方向 。 4 存在的问题 生物芯片技术作为一种新兴的生物技术。虽然各 国学者已经看到了它的重要应用价值，但由于相关领 域的现状 ，使该技术的迅速发展和广泛应用受到了一 定的限制。制备芯片的前提是需要大量的、已知的、准 确的核酸序列或蛋白质种类的信息资料。其中有一些 已经被收集到国际数据库中，如 GeneBank、EMBL、 DDBJ等，通过一定的程序可以查询。但仍有大量的基 因片段其序列尚未被准确认定或尚未公开。特别是全 长的cDNA难度更大。这些情况无疑使芯片的种类和 原料受到影响；信号检测系统，计算机分析系统及相应 软件，到目前为止，市场价格仍极为昂贵，一般实验室 难以承受，如再加上芯片制作系统(点样装置等)和杂 交反应系统。总价格可达几百万人民币，这在很大程 维普资讯 http://www.cqvip.com ■市场信息 矗工案 大豆蛋白与体重管理研讨会在沪召开 由舒莱公司 (The Solae Company)组织的大豆蛋白 与体重管理研讨会最近在上海举办，会上有关专家重 点介绍了大豆蛋白营养特点以及大豆蛋白在体重管理 等方面的功效。 舒莱公司是美国杜邦公司和邦基公司于2003年 成立的合资企业，该公司主要产品包括大豆分离蛋白、 大豆浓缩蛋白以及组织植物蛋白等，在中国拥有三家 独资工厂，公司中国区总部位于上海。 由卫生部、科技部和国家统计局共同主持的’2002 年中国居民营养与健康状况调查结果显示，中国成人 超重率为 22．8％，肥胖率为 7．1％。膳食高能量、高脂 肪和体力活动少与超重、肥胖等的发生密切相关。 坚持食用大豆蛋白和低血糖指数 (GI)食物，使饱 腹感增强并减少食物摄入，有望降低体重。大豆蛋白 作为植物蛋白，含有很多对健康有益的生物活性成分， 不含动物蛋白具有的饱和脂肪或胆固醇，且可有助于 降低胆固醇。许多研究显示食用大豆蛋白和降低患心 血管疾病的风险有着密切的关系。大量研究还发现大 豆蛋白中的异黄酮对维护动脉血管的弹性和减少其坚 硬度有效，可减少患心脏病或中风的危险。在平衡饮 食的前提下，增加大豆蛋白的摄入量，既能有助于控制 体重，又可减少各种疾病风险，增进健康。 如今大豆蛋白被广泛应用在许多食品中，如汉堡 包、果汁、奶酪、面包、食品棒等等，渗透到生活各个角 落。在北美，大豆食品的年销售额超过50亿美元。 (本刊讯) 上海举行 “2010年上海世博会与食品安全”专题 研讨会 “国以民为本，民以食为天，食以安为先”。当前食 品安全问题受到各国政府、学术机构、国际组织、食品 企业以及消费群体的关注和重视。近年来出现的重大 食品安全事故所造成的损失及负面影响是巨大的。有 关食品安全的绿色技术壁垒已经严重影响着食品和农 产品国际贸易的发展，食品安全保障体系已成为我国 经济和社会全面发展的重大课题。特别是2010年世博 会将首次在上海举办，专家预测在长达半年的会期中 将有200个国家和国际组织参展和7000人次参观，这 无疑会给城市的正常生活造成很大影响，保证食品安 全将与世博场馆建设、环境治理、气象保障、交通畅通 一 样，成为成功举办世博会的重要保障之一。 建立与世博会相适应食品安全体系，不仅是成功 举办世博会的必备条件，也是提升城市先进管理理念 的需求，更是实现上海世博会“城市，让生活更美好”主 度上影响了芯片技术的应用范围 】。芯片技术本身也 存在一些问题，大致可概括为 (1)靶DKA与寡核苷酸 探针的杂交存在错配、未配情况；(2)靶DNA自身二级 甚至三级结构的形成；(3)靶DNA中存在串联的重复 序列会使计算机重构序列时产生分支点而无法排序。 此外增加信号检测的灵敏度、芯片的特异性方面也有 待于进一步提高；样品制备和标记操作需简化。 5 展 望 我国的生物芯片行业刚刚起步，但在国内也已经 引起了足够的重视，大大小小的生物芯片公司如雨后 春笋般冒了出来，如哈尔滨生物芯片开发有限责任公 司、江南生物科技公司、博亚芯片公司 (the Capital Biochip Co．Ltd．)、西安基因生命科技分公司等等。由于 其巨大的分析能力，极少的样品用量，简便、快速、高效 的使用方式，未来的生物学研究越来越可能在生物芯 片上进行。随着大量基因序列的确定、生物芯片技术 为生物内部生命信息的处理和应用提供了可靠的手 段，对推动农业、人口、健康和环境等核心问题将发挥 重大的作用。国外生命科学界、工业界和医学界等都 认为生物芯片将会给21世纪整个人类生活带来一场 “革命”。生物芯片技术的应用前景是乐观的。 参考文献 【1】张学军，周文明，赵建龙 ．生物芯片技术及应用简 介 ．安徽医科大学学报，2003，38(1)：1～3 【2】张维铭 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