食品微生物检测期末论文

基因芯片技术在微生物检测中的应用

摘要: 基因芯片技术作为一种前沿生物技术，具有高通量、快速、灵敏的优点，在生物学和医学各领域都有广泛的应用。本文主要对其原理、应用领域和在微生物检测中的应用做了一些介绍，分析了基因芯片技术发展中存在的一些问题，并对前景做了展望。

关键词: 基因芯片；微生物；检测；应用；发展前景

21世纪，随着人类基因组计划(Human Genomic Progect,HGP)的完成，后基因组时代揭开了序幕，人类正从结构基因组学(Structural genomics)进入功能基因组学(Functional genomies) 和功能蛋白组学(Functional proteomics)时代。自从1992年Afymetfix公司首次合成第1块基因芯片以来，在之后的十几年里该技术以其具有高通量、平行性、微型化、自动化、快速灵敏、样品用量少等显著特点被广泛应用。基因芯片技术(gene chip technology，GCT)作为21世纪生物技术的重要发展，在许多领域均显示出了巨大的利用价值[1]。

基因芯片概念和原理

基因芯片也称DNA微阵列，是生物芯片的一种[2]。基因芯片原理最初是由核酸的分子杂交衍生而来的，即应用已知序列的核酸探针对未知序列的核酸序列进行杂交检测。基因芯片制备及检测流程是利用原位合成法或将已合成好的一系列寡核苷酸以预先设定的排列方式固定在固相支持介质表面，形成高密度的寡核苷酸的阵列，样品与探针杂交后，由特殊的装置检出信号，并由计算机进行分析得到结果[3]。该技术可检测各种环境或媒介中的微生物，研究复杂微生物群体的基因表达。与传统方法相比，GCT先进性主要体现在：(a) GCT可以

（b）操作简便快速，对环境中的微生物实现高通量和并行检测，一次实验即可得出全部结果；

整个检测4h 基本可以出结果，而传统方法一般需4～7 d时间；（c）特异性强，敏感性高[4]。

1. 基因芯片的制备：主要包括载片处理、基因片段点阵和固定化等步骤，其中点阵和固定化技术主要有原位合成和合成后交联2种。

2. 样品的制备: 样品经处理提取到纯度足够高的DNA后，进行PCR扩增以富集目标分子并对目的基因进行标记，或将目标基因转录后制备成基因文库。

3. 分子杂交: 标记后的样品双链DNA一般先要经过高温变性为单链DNA再与芯片上的单链寡核苷酸探针杂交。

4. 杂交信号的检测: 样品与探针杂交反应结束并经洗涤后，完全杂交发生强的荧光信号或特殊波长的信号，不完全杂交则信号较弱，若不能杂交仅能测到芯片原有的荧光信号或检测不到荧光信号。通过计算机控制的高分辨荧光扫描仪可并行采集大量的杂交信号，利用软件数据处理后可进行靶基因的综合信息分析[5]。

基因芯片技术的应用领域

基因芯片技术具有微型化、集约化和标准化的特点，在分子生物学研究、医学临床检验、生物制药和环境医学领域得到了广泛的应用。

2.1科研领域

GCT能够快速、准确地分析数以千计基因组信息，在科研各个领域具有广泛的应用前景，主要表现在基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。传统的实验方法研究细胞中的上千个基因的改变必须首先提取细胞中足量的核酸，然后标记每一种探针，再分别进行分子杂交检测。而采用GCT检测基因表达的改变能够节省大量的人力、物力和财力。

2.2生物制药领域

各大药厂和生物技术公司已经开始使用GCT进行新药的研发和筛选。应用GCT进行基因测

序、基因表达检测和新的遗传标志如单核苷酸多态性定位等，对寻找新的功能基因、寻找新的药物作用靶点和开发新的基因药物具有重要意义。采用GCT可以检测不同物种、不同组织、不同病种、不同处理条件下的基因表达改变，从而指导开发具有不同用途的诊断试剂盒。

2.3医学诊断

2.3.1在优生方面

目前知道有600多种遗传疾病与基因有关。妇女在妊娠早期用DNA芯片做基因诊断,可以避免许多遗传疾病的发生。

2.3.2基因芯片在医学领域的应用

基因表达及调控研究人类的某些疾病及其后遗症相关基因可因内外环境异常而出现异常表达,因此可利用GCT对这些异常表达基因进行检测,找到其与疾病的相互关系,研究疾病发生的基因调控机制,可从根本上预防和治疗疾病。其次,人类成长的不同阶段,基因表达也有很大差异,利用GCT可找出这些差异表达基因,研究不同时段及情况下的基因调控机制。最后,在一些多基因与环境因素共同作用的疾病筛查中,如糖尿病、冠心病、高血压等，GCT作为较理想的了解基因相互作用关系的技术之一,也将扮演重要角色。

2.3.3应用于器官移植、组织移植、细胞移植方面的基因配型：如HLA分型。

2.3.4基因芯片可应用于病原体诊断：如细菌和病毒鉴定、耐药基因的鉴定等。

2.3.5在环境对人体的影响方面

已知花粉过敏等人体对环境的反应都与基因有关。若对与环境污染相关的200多个基因进行全面监测，将对生态环境控制及人类健康有重要意义。

2.3.6法医学方面

DNA芯片比早先的DNA指纹鉴定更进一步，它不仅可做基因鉴定，而且可以通过DNA中包含的生命信息描绘生命体的脸型长相外貌特征。这种检验常用于灾难事故后鉴定尸体身份以及鉴定父母和子女之间的血缘关系[6]。

3基因芯片技术在微生物检测中的应用

3.1 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是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，但过程繁琐，而且操作相对独立，很难及时、高通量的对食品进行检测。GCT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人境检验检疫、食品质量控制、突发食品安全事件检测，将为食品安全提供更有力的技术保障。

3.2 在传染性致病微生物检测中的应用

SARS冠状病毒在2003年曾在世界范围内流行，当时由其引起的严重急性呼吸综合征病死率高，虽然现在具有多种血清学和分子生物学技术用于病原体检测，如：ELISA、IFA等，但是没有任何方法能够在感染早期确认好排除SARS—CoV的感染。清华大学联合中国军事医学科学研究所研制的70—mer基因芯片对SARS—CoV进行早期检测，他们试验证实了基于基因芯片的分子生物学检测方法对于SARS—CoV的检测是具有高度特异性而且可用于早期的检测。他们的结果证实基于基因芯片的分子检测技术对SARS—CoV的检测是具有特异性的，而且对SARS病人的血清的检测率比单独PCR检测高8%。

3.3 在环境微生物群落分析中的应用

微生物的生态多样性在各种生态系统的功能和持续都起着综合的、独特的作用，因而关系到地球在物质平衡、大气构成、地质形成等方面的变化，如微生物所进行的反硝化作用使土壤、海洋的氮预算失去平衡，所形成的中间产物NO和N：O的积累则是全球气候变暖和臭氧层