食品組學:食品分析現在和未來的挑戰(5)

2020-11-23 儀器信息網

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  食品分析中最主要的一個挑戰將是:改善我們對食物化合物在分子水平上的作用的有限認識(如它們與基因的相互作用,及其對蛋白質和代謝物的後續影響等),以便合理設計飲食來控制細胞功能,這對於我們的健康有著非同尋常的影響。在這種情況下,食品組學作為一門新興學科來研究食物和營養,主要通過應用先進的組學技術來改善消費者的健康和幸福感。因此,食品組學作為一門全面的學科,包含了食品、先進的分析技術(主要是組學工具)和生物信息學。基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學的發展為我們現在利用食品組學來解決各種不同的問題帶來了極大的機遇。

  例如:(1)利用營養基因組學方法來理解生物化學、分子和細胞機理,它們是某種生物活性食物成分產生有益或有害影響的基礎;(2)利用營養遺傳學方法來理解對於特定的膳食結構,不同個體間不同響應的基因差異;(3)了解從上述階段到疾病發生所涉及到的基因特徵,也就是尋找可能的生物標記物;(4)確定生物活性食物成分對於關鍵的分子途徑的影響;(5)建立腸道微生物基因譜全面的作用和功能,這項工作將開啟令人印象深刻的研究領域;(6)了解食源性致病菌的應激適應模式,以確保食品衛生、加工和保存;(7)研究食物微生物作為傳遞系統的用途,包括基因失活和基因缺失的影響;(8)開展對轉基因改性作物非計劃性能的調查研究;(9)在理想情況下,將食品安全、質量和可溯源性作為一個整體進行綜合評估;(10)理解具有農業利益和經濟相關性的生物學過程的分子基礎,例如,農作物和它的致病微生物之間的相互作用,以及果實成熟階段發生的物理化學變化;(11)通過一個全面的方法來充分理解採後現象,這種方法可以將基因和環境的反應聯繫起來,以及可以鑑定基礎性的生物網絡。在這一方面,可以預期新組學技術結合系統生物學,就像食品組學所提議的,可將採後研究引入一個新的時代。

  眾所周知,遺傳基因對人體健康有著重要的影響。然而,飲食、生活方式和環境對表觀基因組、腸道微生物有著重要的影響,並影響轉錄組、蛋白質組、直至代謝組。當遺傳基因的影響與營養/生活/環境不能得到適當的平衡,人體健康就會受到影響。食品組學是檢測由食物成分引起的不同表達水平發生變化的重要工具。

圖3.食品組學研究所使用的分析方法和預期的研究結果

  食品組學研究食物成分對於特定生物系統(細胞、組織、器官或生物體)影響的理想方法如圖3所示。根據這一食品組學研究方法,食物成分的影響結果可通過基因組學/轉錄組學/蛋白質組學和代謝組學得到,從而了解食物在分子水平上的生物活性和其對人類健康的影響。

  食品組學的關注點與醫學和生物科學相一致,通過充足的食物攝入量和所謂的保健食品的開發來預防疾病。從這方面來說,我們對許多物質對於人體健康影響的論斷或許太早,對於其他對健康有影響的因素也是如此,它們的具體影響依然在研究當中。因此,食品組學方法可以幫助我們克服這些限制。為了實現這個目標,我們需要開展更多的研究來發現一種核苷酸的多態性,來識別相關的複雜疾病的基因,擴展對新食品的研究,提供更充分的證據來獲得公眾的認可。此外,儘管通過全面的食品組學方法可以得到有意義的成果,但實際上目前並沒有提出並結合三種表達水平(轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學)的研究論文發表。

(點擊圖片可查看大圖)

  圖4展示了關於膳食多酚針對HT29大腸癌細胞化學預防效應的全球性食品組學研究結果。該圖呈現了HT29大腸癌細胞內主要的生物過程所涉及的基因、蛋白質和代謝產物,這些物質通過轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等分析方法得到了鑑定,此外,迷迭香多酚治療可以改變HT29大腸癌細胞內這些主要的生物過程。

  為了充分證明它的價值,食品組學依然需要通過藥物影響(例如通過所謂的個性化營養)被轉化為方法或途徑。在這一方面,當面對這樣複雜的系統,數據的解釋和整合併不簡單,而且被認為是主要的瓶頸之一。在最近的一項工作中,食品組學方法被用來研究飲食中的多酚類物質對兩個人的白血病細胞株的的影響,結果發現,一個人展示了藥物敏感表型(k562),另一個則顯示出耐藥表型(k562/r)。研究中採用了基於非定標分析方法的全轉錄組晶片質譜聯用技術(通過毛細管電泳−飛行時間質譜CE−TOF MS和高效液相色譜−飛行時間質譜UPLC−TOF MS)來進行轉錄組學和代謝組學分析。

  人們使用IPA軟體進行功能化的富集分析,對於轉錄組和代謝組模式的可靠的解釋而言,我們可以把這種分析看成是一個在此之前的步驟。這些被研究的膳食多酚改變了1%的基因表達,這些基因被兩種白血病細胞系裡的轉錄微陣列所覆蓋。總體來說,許多基因的編碼第二時期相關解毒酶和抗氧化蛋白的轉錄誘導模式是不同的,而且在兩個白血病細胞系所觀察到的代謝模式是不同的,這表明膳食多酚可以對不同表型的白血病細胞產生一種差異性化學預防效果。

  關於轉錄因子分析的IPA預測,強調了膳食多酚對於Myc基因轉錄因子功能的抑制,這也許可以揭示在白血病細胞中被觀察到的膳食提取物的抗增殖效應。代謝分析表明膳食多酚對兩種白血病細胞系細胞內代謝水平有著不同的影響。通過使用IPA軟體將關於標準代謝途徑的數據集進行重疊整理,以實現對由轉錄組學和代謝組學平臺獲得的數據的整合。這一方法對被膳食多酚調解的代謝路徑中幾種不同表達水平的基因進行鑑定,從而為這些化合物的影響效果提供更多的證據。

  儘管食品組學有著巨大的潛力,但也存在著方法難題。事實上,食品組學方法並不簡單,需要知識結構有著高度互補性的工作在不同領域的研究人員,特別是分析化學、生物/醫學、生物信息學和統計學。

  此外,食品組學工具需要克服許多極限,來優化食品分析。對於轉錄組學,高背景噪音淹沒了微弱信號,以及DNA晶片當中雜交探針的效率和選擇性都需要改進。新的改進包括建立常規的數據分析方法,增加測序的通量和讀長。同時也期待這些分析技術所需的費用在未來會持續下降,允許新的應用以及在食品組學研究中大量應用。

  在蛋白質組學當中,質譜或者質譜與二維電泳、液相色譜、毛細管電泳聯用已成為最常用的方法。如果要使蛋白質研究成為常規分析,則需要開發相關的改進技術或替代技術(如蛋白質微陣列),包括改進肽的解析度,以實現覆蓋更多的蛋白質。除了日常複雜的樣品處理與分離技術,質譜對於蛋白質組學研究依然十分重要。在這種情況下,傳統的質譜儀器正在逐漸讓位於更加複雜和集成的質譜儀器,它們大多數是與一種或更多的儀器組合使用。因為可以從食品組學當中少量的蛋白質組學研究進行推斷,我們期待技術的創新可以推動蛋白質組學分析及食品組學的標準化。

  人們期待著代謝組學的巨大進步,利用幾乎不需要進行樣品製備的新型質譜接口,以及利用MALDI成像質譜(MALDI-MSI)能夠分析組織及單細胞水平的蛋白質的代謝產物,獲得特定分子空間分布的信息。樣品製備方法以及分析平臺的改進(包括更高靈敏度的NMR系統與在線質譜聯用的可能性),將增強食品代謝組學研究的關聯性。

  多維分析技術,如GC × GC或LC × LC,也是分離技術的革命性突破,預計在不久的將來,這一技術在食品組學研究中的應用會增加。與傳統的分離技術相比,它們不僅增強了解析度,而且使峰值數大幅增加,並且增強了分離效果和靈敏度。另外,毛細管電泳技術以及毛細管質譜聯用技術(CE-MS)都是代謝組學研究的理想工具,因為它們不需要大量的樣品製備,應用範圍廣,效率高,解析度高,以及樣品消耗量低。此外,CE−MS能夠分離強極性及帶電荷的代謝物質,而這些物質很難被LC或GC分離。代謝組學面臨著許多挑戰需要解決,如代謝物資料庫的發展和增長,到目前為止,所有的代謝產物中僅有一小部分被鑑別,並收錄在代謝物質資料庫中,大多數自然產生的代謝物質還仍然是未知的。

  除此之外,身體處於正常狀態和病理狀態的代謝物的範圍,需要代謝組學領域做出一致的假設,對樣品狀態和目標代謝物要有統一的標準,以便在新食品組學領域全面認識它的潛力。食品組學與系統生物學結合的挑戰,不僅來自於技術水平,如前文提到的,組學研究工具已經取得了巨大的發展和進步,並被期望能有再進一步的巨大發展;還來自於生物信息學方面,它需要進一步的發展,以使系統生物學能在新食品組學研究中發揮所有的潛力。在這一方面,我們還需要做大量的工作,來將我們了解的許多細胞過程知識和它們在不同的分子水平如何發生聯繫起來。(全文完)

  註:文章譯自美國分析化學雜誌。

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