生物工程多组学技术及其在食品研究中的应用

杨彦坤

摘要：随着计算生物学及系统生物学等新兴学科的不断涌现，生命科学大综合和大发展时期如期而至，在此过程中，“组学”的概念应运而生。组学包括DNA序列和修饰(基因组、表观基因组)、RNA和蛋白质含量(转录组、蛋白质组)、小分子(代谢组、脂质体组)和元素组成(如离子组),其均可采用相应的组学技术进行分析，统称多组学技术。

关键词：生物工程；多组学技术

1 组学概况

根据中心法则(DNA→RNA→蛋白质)揭示的生命科学基本规律，基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学已被广泛应用于分析研究中；研究对象不同，组学技术研究策略不同，所依赖的技术手段也不尽相同。

2 多组学在食品研究中的应用

随着消费认知和消费能力的不断提升，人们希望对其生产加工及贮藏过程中的各种生化过程及其详细机制拥有更加全面的认识，而常规分析方法难以实现以上目的。为了满足当前对食品的高要求与新期待，利用组学大数据和整体分析技术，近年来通过蛋白质组学、营养基因组学、肠道菌宏基因组学和营养代谢组学的大量研究，推动了个性化营养学的高速发展。

2.1 在食品原料控制方面

畜牧业和种植业是食品原料的供给端，为食品产业提供畜产和植物性原料，而原料的产量及质量直接影响食品的品质。应用组学技术可筛选出影响植株和家畜生长的关键因素，进而可进一步挖掘增产提质的潜能，从而为上游食品原料的质量提供保障。

2.1.1 在植物性食材生产中的应用

随着气候持续剧烈变化，土壤受到污染，农作物生长过程受环境中非生物因素的影响持续增大，导致多种粮食作物减产降质，而组学技术分析有助于加强对植物与环境相互作用的理解，对鉴别描述作物品种、监测植物和作物健康状况、检查植物生长和果实成熟期间代谢物的积累、提高作物生产力等方面的研究优势明显。目前，组学技术对粮食作物和经济作物在非生物抗逆性研究与改良方面颇具成效，如Kumari等采用多组学方法揭示了水稻复杂的抗逆胁迫机制，从而可对耐旱品种进行精准改良；Chen等通过比较野生大豆在低磷胁迫和充足磷源条件下小分子代谢物类型、数量、代谢途径和基因表达的差异，为开发耐贫瘠土壤的栽培大豆品种奠定了理论基础；Yang等结合转录组与代谢组方法发现赤霞珠葡萄在调亏灌溉(RDI)中花青素生物合成相关基因表达上调，这对揭示花青素的积累机制及针对性开发高花青素含量食材具有积极作用。

2.1.2 在动物性食材生产中的应用

从养殖过程开始即可对饲养牲畜的品质进行调控以确保肉品品质。如水产养殖能够提供优质蛋白质，因此保证其在养殖过程中的整体健康状况尤为必要。基于蛋白质—蛋白质相互作用的组学网络可促进对鱼类疾病的了解，有助于水产养殖过程中潜在疾病的识别和治疗。罗非鱼易在养殖过程中感染链球菌病而导致大规模死亡，Foysal等通过代谢组学研究发现植物乳杆菌对罗非鱼肠道微生物区系、免疫应答及其抗病性具有积极影响。Gu等结合代谢组学和基因测序技术研究发现，给泌乳期奶牛饲料中补充瘤胃保护性蛋氨酸可显著增加牛奶中功能性营养素α-酮戊二酸水平，有利于功能性乳制品的开发。Liu等对鹌鹑蛋进行全蛋白和修饰蛋白分析，鉴定出鹌鹑卵蛋白的175个蛋白质、109个N-糖蛋白(293个N-糖基化位点)和23个磷酸化蛋白(84个磷酸化位点),功能分析表明鹌鹑卵蛋白、修饰蛋白具有丰富的酶活调节作用。

2.2 在食品品质提升方面

影响食品品质的因素较多，运用组学技术与方法可研究和探讨并揭示食品(功能性食品、发酵食品等)促进人类健康的潜在作用机理，对以饮食干预降低代谢性疾病风险和预后影响、控制成本均具积极作用。

2.2.1 功能性食品

人类肠道微生物区系是由数十亿个微生物组成的复杂群落，其微生物数量约为人类细胞的10倍。与人类共生的微生物具有数量多、反应复杂等特点，但细菌与宿主间的相互作用涉及不同微生物区系，其对人体影响各异。其中益生菌因其对人体有益，已成为功能性食品开发的重要选择。但益生菌种类繁多，且与宿主间作用机制不一，对益生菌功能的理解尚不够明确，而组学工具的利用和测序技术的发展对揭示特定微生物与人类宿主间的相互作用提供了有效途径。通常，基因组学用来确定微生物区系的组成，随后根据转录组结果筛选关键基因，再利用代谢组学定性和定量分析特定条件下的内源代谢物。多组学技术的发展加速了益生菌群的研究进程，有助于深入了解益生菌内在作用机理，有利于相关功能性食品的开发。

2.2.2 发酵食品

发酵食品历史悠久，种类繁多，待开发微生物资源丰富。近年来各类组学在奶酪、发酵酒精饮料、发酵蔬菜、发酵茶、醋及豆制品中均有大量研究和突破。Song等应用多组学(代谢组学和代谢组学)、细菌活力和理化分析，发现泡菜发酵过程中不同的原料组成会导致微生物群落结构不同。Zhang等利用组学研究筛选并确定了郫县蚕豆酱高渗发酵过程中具有多肽降解功能的3种菌株(Aspergillus niger、Candida zeylanoides和Bacillus licheniformis),其能够分泌肽酶，产生氨基酸。Taylor等通过多组学方法(16S rRNA扩增序列、宏基因组测序和非靶向质谱)研究不同类型的发酵食品对人体肠道微生物组和健康的影响，发现共轭亚油酸产生与发酵食品消费间存在相关性。综上，揭示发酵过程中复杂生化变化及发酵微生物作用的组学研究，可为明晰发酵过程，从原料、发酵剂、发酵条件、贮藏条件等角度优化发酵工艺奠定基础。

2.2.3 其他食品

食品在加工过程(煮沸、油炸和烘烤)中会发生一系列复杂的生化变化，导致蛋白质、脂质等营养成分变性失活，通过组学技术进行分子水平的研究可深入探究食品加工过程中组分变化对食品品质和功能特性的影响，为食品加工工艺优化奠定理论基础。Wu等采用非靶向组学方法测定牛肉在煮沸、油炸和烘烤过程中缩醛磷脂的变化，发现煮沸时间和烘烤温度对缩醛磷脂指纹图谱变化起关键作用，而采用涂膜预处理可防止油炸过程中缩醛磷脂的损失，从而保持其营养品质。

3 前景与挑战

食品是一个复杂的生态系统，当前食品领域的研究多局限于单一生物影响因素，而应用鸟枪测序、气质联用、高效液相色谱和核磁共振波谱的多组学技术可对特定微生物的基因组、代谢物进行分析，基于复杂体系间的交互影响及动态变化，可揭示食品的动态网络调控机制。随着各种技术平台的不断完善，多组学技术将在控制食品原料、提升食品品质和剖析食品安全机理方面发挥更大的技术支撑作用。组学技术与食品的结合，有望将食品科学研究从材料学范畴，拓展到“食品+”的层级，以食品与人体/环境的视角切入，通过大量数据的集成，全面研究待分析物的理化变化，有助于充分认识食品的内在功能特性。但目前多组学分析仍存在一定的局限性，如当前的提取技术和检测手段尚不能覆盖所有待检物，测定生物活性化合物的仪器检测精度和灵敏度有限，且分析过程中缺乏可供参考、比较的标准数据库，数据处理能力仍有待提升，以上都在一定程度上制约了多组学技术的发展。因此，开发更高灵敏度和分辨率的检测仪器、建立并丰富组学数据库，从而提高多组学技术的精度和覆盖率，进一步拓宽其在食品领域研究中的应用，不断推动对食品本质的深入了解，这是多组学有待进一步突破的方向所在。

参考文献

[1] HAAS R,ZELEZNIAK A,IACOVACCI J,et al.Designing and interpreting 'multi-omic' experiments that may change our understanding of biology[J].Current Opinion in Systems Biology,2017,6:37-45.

[2] FONDI M,LIÒ P.Multi-omics and metabolic modelling pipelines:Challenges and tools for systems microbiology[J].Microbiological Research,2015,171:52-64.

[3] KOPCZYNSKI D,COMAN C,ZAHEDI R P,et al.Multi-OMICS:A critical technical perspective on integrative lipidomics approaches[J].Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Molecular and Cell Biology of Lipids,2017,1 862(8):808-811.