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食品组学——从食品安全到食品健康的相互作用

已有 1467 次阅读 2021-9-21 17:52 |个人分类:新观念|系统分类:科普集锦

食品组学——从食品安全到食品健康的相互作用

译自 Current Opinion in Food Science 2021, 40:vi–viii 编者的话

作者  Alexandre Lamas

   (作者地址:圣地亚哥·德孔波斯特拉大学食品卫生、检验和控制实验室,分析化学、营养和饮食学系,27002 卢格,西班牙 e-mail: alexandre.lamas@usc.es

Alexandre Lamas博士是西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学兽医学院的博士后研究员。他持有食品科学与技术创新博士学位(2019)。曾在爱尔兰科克大学和葡萄牙乌米尼奥大学进行博士后研究。他的研究重点是食品安全,尤其对食源性病原体感兴趣。Lamas博士也是40多篇科学文章和几本书章节的合著者。)

 

科学就像宇宙一样,处于不断变化的状态。几十年来,有针对性的实验室技术一直主导着食品科学研究。毫无疑问,这些年来它们一直在进化,但它们一直存在于已知的宇宙中。我们错过了很多信息。最明显的例子是经典的微生物学。很长一段时间以来,研究的细菌都是那些可以在实验室培养的细菌,但这些细菌只占地球上实际存在的细菌的很小比例。然而,组学技术的发展,尤其是下一代测序(NGS),成功地揭示了未知细菌的整个宇宙。NGS的使用不仅有助于评估微生物群分布。这只是冰山一角。例如,宏基因组学方法允许对环境样本中的所有细菌基因组进行测序。有了这些知识,就可以开发出特定的培养基和条件,使以前无法培养的实验室细菌得以生长。但这只是一个例子,组学技术的应用就像食品科学领域一样广泛和多样。因此,本文旨在提供Foodomics(食品组学)领域的实际趋势的广泛概述。

食品安全的主要问题之一是在动物生产中使用违禁物质。在牛体内使用合成代谢物质一直是并继续是以非法方式增加产量的主要方法之一。使用这些物质不仅是一种欺骗,而且还会导致消费者的健康问题。正如BenedettoPezzolatoBiasibettiBozzetta所解释的,传统的分析方法在控制新设计的药物或那些被动物迅速消除残留的药物方面有局限性。但基于转录组学、蛋白质组学或代谢组学的新非靶向筛选方法的设计是克服这些问题的一个有前途的工具。这些组学技术的下一个挑战是多组学数据集成及其在立法和欧盟国家残留控制计划中的实施。

真实性是食品科学最活跃的研究领域之一。用一些物种替代其他价值较低的物种是加工食品中的主要商业欺诈行为之一。就陆生动物而言,可以被其他动物替代的物种数量是有限的。另一方面,在鱼产品中,有数百种不同的品种可以用于加工鱼食品。Franco, Ambrosio, CepedaAniello描述了NGS技术将如何促进这类欺诈的控制。全基因组测序技术将把目前还没有测序的海洋物种遗传信息加入公共数据库成为可能。这将有助于设计靶向和DNA条形码分析。此外,有了大规模的测序设备,可以进行DNA元编码,这使得在同一时间检测同一样本中的数百或数千种物种成为可能。这对高度加工的鱼类产品非常有用。此外,宏基因组技术允许非目标物种的鉴定,其遗传信息可在数据库中获得。 

食品肽组学是当前食品组学的新兴领域之一。这在很大程度上是由于生物活性肽在近年来获得的关注,Martini, SolieriTagliazucchi在他们的综述中出色地总结了这一点。例如,消化组学是一种在消化过程中监测蛋白质水解的有趣工具。特别有趣的是对乳制品消化过程中生物活性肽释放的研究。然而,体内消化学研究仍然很少,未来几年的挑战之一将是将体外获得的结果转化为体内研究。肽组学对于了解代谢过程中生物活性肽的释放具有重要意义。这可以帮助优化发酵过程,释放对人类健康有益的生物活性肽。最后,肽组学也可以作为生物标志物。该技术可用于确定食品的变化和检测过敏原的存在。

近年来,组学技术在食品微生物学领域的应用日益广泛,特别是在食源性病原体的研究方面。表型研究一直是这些病原体研究的基础。然而,正如Chen, He, XuWang在他们的综述中所描述的那样,将这些研究与组学技术相结合,可以让我们以更深入的方式理解食物基质中的行为。致病菌必须迅速适应食物链中紧张的环境。研究这些变化的一个有用技术是转录组学。因此,我们有可能了解在生物膜形成过程中转录组谱是如何被修改的,或者细菌如何保护自己免受抗菌剂的影响。转录组学与其他组学技术的结合将使我们能够完全解开细菌适应应激环境的代谢途径,从而设计出更有效的食品保存技术。

全球COVID-19大流行表明了病毒的重要性,它们仍然是最大的未知数之一。如果大多数真核细胞病毒是未知的,那么噬菌体也是未知的,噬菌体是感染细菌的病毒。宏基因组学的应用表明,有一整个病毒暗物质的特征。PailletDugat-Bony讨论了噬菌体生态学在发酵食品中的重要性。这类食物是噬菌体的理想生活区,但其生态作用尚未完全确定。噬菌体可以驱动食物细菌种群,它们与水平基因转移有关。有趣的是,噬菌体的细菌裂解可以通过释放营养物质到环境中对非宿主种群产生影响。这对细菌动力学有重要影响。宏基因组学的发展将是研究所有这些动态的关键,甚至是获得知识,以实现适当的工艺特性的发酵产品。

食物经济学最令人兴奋的领域之一是研究食物和人类健康之间的相互作用。本期特刊在这方面有两个很好的例子。RegalFenteCepedaSilva简要总结了如何利用多种组学技术来阐明食品在乳腺癌发展中的作用。这是世界上第二常见的癌症类型,其可塑性和变异性指向一个多因素的起源。从这个意义上说,饮食成分可以引起癌症表观遗传环境的变化。食物成分可以影响致癌基因和抑癌基因的甲基化特征、组蛋白化学修饰、非编码RNA水平和微生物代谢。多组学研究有助于建立饮食与乳腺癌发展之间的联系,是癌症预防和治疗的关键。正如作者出色的总结,食品不是也不能被认为是人类健康机器的被动燃料,而是一个积极的参与者。

毫无疑问,组学技术,尤其是测序技术取得成功的领域之一是对肠道微生物群的研究。代谢性疾病是导致生活质量下降和公共卫生系统损失数十亿美元的世界性流行病之一。在过去的十年中,肠道失调与代谢性疾病密切相关。在这个话题上,Nun ez-Sa nchez, Herisson, CluzelCaplice讨论了调节肠道微生物组以改善代谢综合征相关方面的重要性。这种调节可以通过益生元、益生菌或合生菌(两者的结合)来完成。虽然体外和体内的研究已经证明了合生剂逆转肠道失调的潜力,但临床试验仍然有限,而且结果相互矛盾。因此,需要新的临床试验来克服目前研究的设计局限性,以及宏基因组学在深入理解这些肠道菌群的调节方面发挥主要作用。

组学技术的特点是每个分析的样本产生大量的数据。如果在一项研究中使用了几种组学,并将不同的结果结合起来以获得一个全局视图,那么情况就会变得更加复杂。正如Jimenez-CarveloCuadros-Rodrı guez所揭示的那样,我们不能像研究人员那样,根据要解决的问题学习使用不同的数据挖掘方法,而认为数据分析是点击一个按钮。在他们的综述中,作者提供了一种数据挖掘/机器学习方法及其在质谱中的应用。用作者自己的话来说,在食品科学实验室实施组学技术的一些主要限制是,一方面是分析设备的价格,另一方面是缺乏生物信息学研究人员的培训。越来越多的组学技术的应用将降低其价格,而提供这类组学服务的公司的出现将有助于更多的实验室获得这些分析。同样,近年来,随着专业课程和硕士学位的出现以及越来越直观的生物信息学工具的发展,对生物信息学研究人员的培训也有所增加。这两点将是将组学技术转化为大多数实验室日常生活的关键。

我们只是想给出一个关于foodomics(食品组学)当前趋势的概述,当然还有一些有趣的应用还没有涉及到,但它们无疑是同等重要和有趣的。我鼓励所有渴求知识的研究人员深入阅读发表在本期专题的文章,因为我相信他们会发现这些文章非常鼓舞人心。




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2 杨卫东 郑永军

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