柴陽陽 2015010082 生物信息學在食品檢測中的應用(共9頁)

1、生物信息學在食品檢測(jin c)中的應用摘要(zhiyo)：食品安全是世人(shrn)關注的熱點和敏感問題，關乎著人民群眾的人身財產(chǎn)安全。確保食品安全，加快食品安全檢測技術的發(fā)展勢在必行。本文就食品安全現(xiàn)狀、食品安全檢測技術以及前景展望進行綜述，以期為食品安全技術的研究提供參考依據(jù)。關鍵詞：食品安全；檢測技術；生物檢測Abstract:Food safety is connected with people，s health as a sensitive and burning issue of public concern.Therefore,it is both necessary an

2、d imperative to ensure food safety and accelerate the development of detection techniques.This article reviews the current status of food safety as well as the current detection techniques for food safety and their future development in order to provide references for studies on detection techniques

3、 for food safety.Key words:food safety；detection techniques；bioassay前言食品安全問題已經(jīng)是一個全球話題，近年來，國際上食品安全惡性事件不斷發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟損失。目前，食品安全問題主要包括以下幾個方面：化學性危害、生物毒素、微生物性危害、食品摻假和基因工程食品的安全性問題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織和疾病控制中心的報告，歐洲的食品污染事件 40%發(fā)生在個體家庭里。而僅僅美國，每年就有 7600 萬人發(fā)生食源性疾病和5000 人死亡。在我國，微生物污染、農(nóng)藥殘留、江河湖泊和近海等水源的污染以及非法添加激素和藥物等是食品不安全的重要因素

4、。“菜籃子”的化學安全性問題以農(nóng)藥和獸藥殘留、環(huán)境污染物和真菌毒素等污染較為突出，蔬菜水果農(nóng)藥(如氯氰菊酯)殘留超標、非法使用獸藥(如瘦肉精)引起的急性中毒等事件嚴重影響了我國食品業(yè)的發(fā)展。正文1生物信息學的定義 生物信息學(Bioinformatics)是一門新興的交叉學科。它是伴隨基因組研究而產(chǎn)生的，因此它的研究內容就緊隨著基因組研究而發(fā)展。廣義地說，生物信息學從事對基因組研究相關生物信息的獲取、加工、儲存、分配、分析和解釋。這一定義包括了兩層含義，一是對大量數(shù)據(jù)的收集、整理與服務，也就是管好這些數(shù)據(jù)；另一個是從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，也就是用好這些數(shù)據(jù)。 具體地說，生物信息學是把基因組DNA序列

5、信息分析作為源頭，找到基因組序列中代表蛋白質和RNA基因的編碼區(qū)；同時，闡明(chnmng)基因組中大量存在的非編碼區(qū)的信息實質，破譯隱藏在DNA序列中的遺傳語言規(guī)律；在此基礎上，歸納、整理與基因組遺傳信息釋放及其調控相關的轉錄譜和蛋白質譜的數(shù)據(jù)，從而認識代謝、發(fā)育、分化、進化的規(guī)律。生物信息學還利用基因組中編碼區(qū)的信息進行蛋白質空間結構的模擬和蛋白質功能的預測，并將此類信息與生物體和生命過程的生理生化信息相結合，闡明其分子機理，最終進行蛋白質、核酸的分子設計、藥物設計和個體化的醫(yī)療保健設計?；蚪M信息學、蛋白質的結構計算與模擬以及藥物設計,這三者緊密地圍繞著遺傳信息傳遞的中心法則,因而必然有

6、機地連接在一起。2. 生物(shngw)信息學研究內容生物信息學主要包括(boku)以下幾個主要研究領域：2.1序列比對 基本問題是比較兩個或兩個以上符號序列的相似性或不相似性。序列比對是生物信息學的基礎，非常重要。兩個序列的比對有較成熟的動態(tài)規(guī)劃算法，以及在此基礎上編寫的比對軟件包-BALST和FASTA。這些軟件在數(shù)據(jù)庫查詢和搜索中有重要的應用。2.2結構比對基本問題是比較兩個或兩個以上蛋白質分子空間結構的相似性或不相似性。2.3蛋白質結構預測(包括2級和3級結構預測) 從方法上來看有演繹法和歸納法兩種途徑。前者主要是從一些基本原理或假設出發(fā)來預測和研究蛋白質的結構和折疊過程，分子力學和分

7、子動力學屬這一范疇；后者主要是從觀察和總結已知結構的蛋白質結構規(guī)律出發(fā)來預測未知蛋白質的結構，同源模建和指認方法屬于這一范疇。雖然經(jīng)過30余年的努力，蛋白結構預測研究現(xiàn)狀遠遠不能滿足實際需要。2.4計算機輔助基因識別(僅指蛋白質編碼基因) 基本問題是給定基因組序列后，正確識別基因的范圍和在基因組序列中的精確位置。這是最重要的課題之一。2.5非編碼區(qū)分析和DNA語言研究 在人類基因組中，編碼部分僅占總序列的3% 5%，其它通常(tngchng)稱為“垃圾(l j)”DNA，其實一點也不是垃圾，只是我們暫時還不知道其重要的功能。分析非編碼(bin m)區(qū)DNA序列需要大膽的想象和嶄新的研究思路和方

8、法。DNA序列作為一種遺傳語言，不僅體現(xiàn)在編碼序列之中，而且隱含在非編碼序列之中。2.6分子進化和比較基因組學 早期的工作主要是利用不同物種中同一種基因序列的異同來研究生物的進化，構建進化樹。既可以用DNA序列也可以用其編碼的氨基酸序列來做，甚至于可通過相關蛋白質的結構比對來研究分子進化。近年來由于較多模式生物基因組測序任務的完成，為從整個基因組的角度來研究分子進化提供了條件。3. 食品安全概念 食品安全是指對食品按其原定用途進行生產(chǎn)和或食用時不會對消費者造成損害的一種擔保年世界衛(wèi)生組織加強國家級食品安全性計劃指南。食品安全性強調食品中不應含有可能損害或威脅人體健康的物質或因素。食品不安全的因

9、素產(chǎn)生于人類食物鏈的每個環(huán)節(jié),從原料生產(chǎn)、加工、存儲、運輸、銷售到最終消費的整個過程，其中既有因農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展帶來的各種污染，也有弄虛作假或對食品安全性了解不夠等人為因素。4. 我國食品安全現(xiàn)狀 目前，食品安全問題主要包括以下幾個方面：化學性危害、生物毒素、微生物性危害、食品摻假和基因工程食品的安全性問題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織和疾病控制中心的報告，歐洲的食品污染事件40% 發(fā)生在個體家庭里。而僅僅美國，每年就有7600萬人發(fā)生食源性疾病和5000人死亡。在我國，微生物污染、農(nóng)藥殘留、江河湖泊和近海等水源的污染以及非法添加激素和藥物等是食品不安全的重要因素。“菜籃子”的化學安全性問題以農(nóng)藥和獸藥殘留

10、、環(huán)境污染物和真菌毒素等污染較為突出，蔬菜水果農(nóng)藥(如氯氰菊酯)殘留超標、非法使用獸藥(如瘦肉精)引起的急性中毒等事件嚴重影響了我國食品業(yè)的發(fā)展。 食品是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，食品安全是關系到人類健康和國計民生的重大問題。1996年世界衛(wèi)生組織對食品安全的定義是：對食品按其原定用途進行制作、食用時不會使消費者健康受到損害的一種擔保。基于國際社會已經(jīng)基本形成4點共識,食品安全的概念也可以表述為：食品(食物)的種植、養(yǎng)殖、加工、包裝、貯藏、運輸、銷售、消費等活動符合國家強制標準和要求，不存在可能損害或威脅人體健康的有毒有害物質以導致消費者病亡或者危及消費者及其后代健康的隱患。食品安全是各國

11、政府的主要政策目標之一，我國政府也十分重視食品安全問題。從糧食的統(tǒng)購統(tǒng)銷，到食品衛(wèi)生法的頒布，充分體現(xiàn)了政府對食品安全的重視。經(jīng)過幾十年的努力，特別是1995年中華人民共和國食品衛(wèi)生法頒布以來，我國的食品安全衛(wèi)生狀況有了明顯的改善。根據(jù)國內外的研究成果歸納起來，影響食品質量安全的因素主要有：環(huán)境污染；農(nóng)業(yè)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的源頭污染；食品添加劑、防腐劑；微生物引起的食源性疾病；新原料、新工藝帶來的食品安全性問題，如轉基因食品的安全性；市場和政府現(xiàn)有措施不完善，仍存在著假冒偽劣產(chǎn)品、食品標簽濫用、違法生產(chǎn)經(jīng)營等；科技進步對食品安全的控制帶來新的挑戰(zhàn)；境外食品安全問題的影響。5. 生物信息學在食品(s

12、hpn)領域的應用 在食品安全檢測中的應用食品在加工制作和存儲過程中各種細菌數(shù)量發(fā)生變化，傳統(tǒng)檢測方法是進行生化鑒定，但所需時間較長，不能滿足檢驗檢疫(jiny)部門的要求，運用生物信息學方法獲得各種致病菌的核酸序列，并對這些序列進行比對，篩選出用于檢測的引物和探針，進而運用 PCR 法、RT-PCR 法、熒光 RT-PCR 法、多重PCR和多重熒光定量 PCR等技術，可快速準確地檢測出細菌及病毒。此外，對電阻抗、放射測量、ELISA 法、生物傳感器、基芯片等技術也是未來食品病毒檢測的發(fā)展方向。5.1生物(shngw)信息學在食品細菌檢測中的應用 食品在加工、制作、儲存過程中往往需要經(jīng)過加熱、

13、酸化、冷凍等處理方式，經(jīng)這些加工工藝處理后，食品中存在的致病性細菌數(shù)量大大減少，而且受到一定程度的損傷。因此,在進行食品中致病菌檢測時首先要進行前增菌和選擇性增菌。這一過程通常需要24 48h。這一步驟的目的是使得微量的、受損傷的致病菌得以修復并大量繁殖。傳統(tǒng)、經(jīng)典的微生物檢測方法是在增菌后使用固體選擇性培養(yǎng)基進行培養(yǎng)，挑選典型菌落進行生化鑒定。選擇性培養(yǎng)的過程需24 48h。整個檢測周期較長，即使是陰性樣品也需3 4d的時間。這種檢驗方法很難滿足出入境檢疫檢疫部門快速通關的需要。近年來，隨著PCR技術的廣泛應用，國內外研究者已經(jīng)將這一技術引入食品致病菌檢測領域。使用PCR方法，可在前增菌和選

14、擇性增菌后，用特異性引物對增菌液中的致病菌進行擴增，從而檢測樣品中是否含有此種致病菌。從理論上講，這種方法的靈敏度高于經(jīng)典的培養(yǎng)法，而且，PCR方法可在幾小時內出具檢測結果，省略了固體培養(yǎng)基的選擇性增菌和生化鑒定步驟，大大縮短了檢測周期。在檢測所需的試劑和人工費用上，PCR方法也優(yōu)于培養(yǎng)法。此外，隨著先進儀器設備在檢測機構的普及和使用，基于PCR方法發(fā)展起來的實時熒光PCR技術和基因芯片檢測技術也將在食品致病菌檢測領域得到廣泛應用。以上所用方法建立的前提是找到特異、靈敏的擴增引物和探針。這就需要研究者運用生物信息學方法獲得各種致病菌的核酸序列，對這些序列進行比對，篩選出可用于檢測的引物和探針。

15、另外，運用生物信息學方法，對各種致病菌的毒力基因和耐藥基因進行研究，篩選保守的特異性的核酸序列作為引物，可對日常進出口食品中分離得到的陽性菌株進行毒力基因和耐藥基因的鑒定，為檢疫執(zhí)法(zhf)提供有說服力的技術指標。同時，可對從不同國家和地區(qū)食品中分離出的致病菌毒株進行核酸序列的分析和比較，進行毒力基因和耐藥基因的研究，運用生物信息學方法建立數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)信息資源的共享。利用這一數(shù)據(jù)庫，研究者可對分離的菌株進行溯源，從而判定菌株污染來源和污染途徑,結合(jih)耐藥基因研究結果，可為控制和治療食源性疾病提供理論依據(jù)和對策。5.2生物(shngw)信息學在食品病毒檢測中的應用 目前，已知能夠通過食品

16、傳播的病毒包括甲肝病毒、諾沃克樣病毒、戊肝病毒、輪狀病毒、星狀病毒和腸道病毒，其中最為重要的有甲肝病毒和諾沃克病毒。近年來國際上多次暴發(fā)甲肝病毒和諾沃克病毒中毒事件，引起了國際社會的廣泛關注。這些病毒有些可用細胞培養(yǎng)法進行分離,有些目前還不能在體外繁殖，也無動物模型，不能用組織培養(yǎng)法或動物實驗進行分離檢測。即使是那些能夠進行培養(yǎng)的病毒，培養(yǎng)法由于其檢測周期長、檢測靈敏度差(病毒感染劑量低)，也不能用于食品中病毒的檢測。近年來，隨著生物技術的快速發(fā)展，特別是核酸技術的發(fā)展，PCR法、RT-PCR法、熒光RT-PCR法等技術已開始應用于食品中病毒的檢測。這些方法通過對病毒目標基因片段的擴增來進行檢

17、測，具有特異性強和靈敏度高的特點，能檢測到1040個拷貝的病毒核酸。使用這些方法進行病毒檢測，需要找到可擴增病毒核酸的引物及對擴增產(chǎn)物特異性進行驗證的探針，引物和探針的可靠性是檢測成功的關鍵技術。因此，首先需在生物信息數(shù)據(jù)庫中查詢這一病毒的核酸序列,對于具有不同基因型的、核酸同源性差的病毒,例如:諾沃克樣病毒，要想設計出可同時擴增不同基因型病毒的引物，需進行大量的核酸序列比對，沒有生物信息學的技術和經(jīng)驗是不可能完成的。目前,國外研究者已經(jīng)使用多重PCR和多重熒光定量PCR技術同時進行多種病毒的檢測。此外，基因芯片技術也是未來食品病毒檢測的發(fā)展方向。這些方法的建立和使用，無疑都需要運用(ynyn

18、g)生物信息學技術進行引物和探針的篩選。對于陽性的檢測產(chǎn)物進行測序后，同樣需要使用生物信息學方法將測序的核酸序列與已經(jīng)公布的同種病毒序列進行比對，這是對產(chǎn)物進行進一步確認的過程。同時，使用相應的軟件可構建遺傳進化樹，鑒定檢測到的毒株的基因型。通過眾多研究者提供的信息的積累，可建立食源性病毒生物信息數(shù)據(jù)庫，從中發(fā)現(xiàn)病毒核酸和蛋白變化規(guī)律，預測病毒變異趨勢，為預防和治療食源性病毒性疾病提供指導。5.3在轉基因產(chǎn)品(chnpn)檢測中的應用 轉基因食品檢測是通過設計特異性的引物對食品樣品的 DNA 提取物進行擴增，從而(cng r)判斷樣品中是否含有外源性基因片段。通過對轉基因農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫信息的及時

19、更新，可準確了解各國新出現(xiàn)和新批準的轉基因農(nóng)產(chǎn)品，便于查找其插入的外源基因片段，以便及時對檢驗方法進行修改。 目前由于某些通過食品傳播的病毒具有變異特性，以及檢測方法的不完善等因素影響，生物信息學在食品領域的應用還比較有限，但隨著食品安全檢測數(shù)據(jù)庫的不斷完善，相信相關的生物信息學技術將在食品領域發(fā)揮越來越重要的作用。 隨著分子生物學技術的不斷進步，轉基因農(nóng)產(chǎn)品的種類不斷增多。在轉基因食品檢測中，我們需經(jīng)常瀏覽一些轉基因農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫，及時了解各個國家新出現(xiàn)的、新批準的是哪些轉基因農(nóng)產(chǎn)品，插入的是哪些外源基因片段，以便及時對檢驗方法進行修改。因此，準確和及時更新的轉基因產(chǎn)品生物信息數(shù)據(jù)庫是保證檢

20、驗結果可靠的基礎。同時，對新增加的外源基因片段的檢測，同樣需要使用生物信息學技術進行引物的設計和篩選。6. 展望生物信息學是一門綜合性的新興學科，它是分子生物學、計算機學、統(tǒng)計學等多門類學科的相關技術相結合形成的應用科學。雖然，目前食品安全檢測領域所使用的生物信息學技術還十分有限，但隨著越來越多分子生物學技術在食品檢測領域的廣泛應用，與核酸和蛋白相關的生物信息學技術也將在食品檢測領域發(fā)揮越來越重要的作用。參考文獻1 SATIN M. Food alert!: The ultimate sourcebook for food safetyM.New York: Checkmark Books,

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