可喷洒的微生物“DNA条形码”能提供更好的食品可追溯性

发布者:bpadmin
发布时间:2020-06-10 12:42
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在我们任何人听说新冠肺炎之前,追踪食品的来源一直是科学家们试图解决的难题。由于大流行,人们对食品可追溯性的兴趣有所增强。从食品区块链到可食用的食品传感器,在过去的几年中,关于更好的追溯食品来源的想法不在少数。现在,多亏了哈佛大学的一组研究人员,我们有了一种新的方法:使用可喷洒的惰性细菌或酵母孢子,它们可以起到“条形码”的作用,帮助我们识别食物的来源。



根据相关数据,每年估计有亿万人因食源性疾病患病,导致住院治疗,甚者死亡。而且,产品召回也造成数百亿经济损失,突显了迅速和准确确定食源性疾病来源的必要性。然而,随着全球供应链日益复杂,追踪受污染物品的确切来源的任务可能会很困难。

哈佛医学院的科学家开发了一种微生物“DNA条形码系统”,可以以廉价、可扩展和可靠的方式为食品贴标签,成为一种可以帮助确定农食商品原产地的新颖解决方案。这种“微生物DNA条形码系统”发表在本月的《科学》杂志上,阐述了如何将合成的微生物孢子安全地应用到物体表面,并在几个月后依然被检测和识别。这些孢子来自面包酵母和一种广泛应用的常见细菌菌株,并被设计为不能在野外生长,以防止不利的生态影响。

研究小组是这样描述他们的发现的:“我们创造了一种合成的、可扩展的微生物孢子系统。它可以在不到1小时的时间内以米级分辨率和接近单孢子的灵敏度识别物体来源,并且对环境安全和易回收。”

我们感兴趣的是这些孢子有多耐用,尤其是它们是否能经受得住烹饪沸煮,仍可以一直检测到孢子吗?


"DNA条形码”

该研究的通讯作者、生物学副教授Michael Springer表示,“孢子在很多方面都是一种老式的解决方案,几十年来一直被安全地喷洒在农产品上,作为土壤接种剂或生物杀虫剂。我们只是添加了一小端DNA序列,以便扩增和检测。”Michael Springer补充说,“我们还努力确保该系统是安全的,使用了常见的微生物菌株,并建立多个级别的控制。我们希望它能被用来帮助解决对公共健康和经济有巨大影响的问题。”

近年来,科学家们对微生物与其环境之间的相互作用了解了很多。研究表明,家庭中、手机上、人体上的微生物群落具有独特的成分,类似于指纹。然而,尝试使用这种“微生物指纹”来识别来源可能会很耗时,而且不容易扩展。

原则上将,这种合成的DNA序列作为对食品和其他物品的标签条形码已被证明是有效的。为达到广泛应用,“DNA条形码”必须可大量廉价生产,在高度多变的环境中一直保持在物体表面,并且能够可靠而快速地解码,可是这些障碍到目前为止还没有被克服,因为DNA是相当脆弱的。

Springer和团队从产品包装入手,确定包装是否可以帮助解决“DNA条形码”得这些挑战,将孢子喷洒到作物上,几个月后进行识别。许多微生物,包括细菌、酵母和藻类,都会在恶劣的环境条件下产生孢子。与种子类似,孢子可以休眠很长一段时间,并在高温、干旱和紫外线辐射等极端条件下生存下来。

研究小组定制了DNA序列,并将其整合到两种微生物的孢子基因组中,面包酵母(Saccharomyces Cerevisiae)和枯草芽孢杆菌(Bacillus Subtilis)。枯草杆菌是一种常见的细菌,并有着许多商业用途,包括作为益生菌、土壤接种剂和某些食品的发酵剂。这些孢子可以在实验室里低成本得大量培养。

人工合成的DNA片段很短,不能编码任何蛋白质产物,因此在生物上讲是“惰性的”。将这些序列串联插入到基因组中,这样就可以创建数十亿个独特的“条形码”。还为了确保“DNA条形码”不能在野外繁殖、生长和传播,研究小组通过使用需要特定营养培植的微生物菌株和删除孢子萌发和生长所需的基因来做到这一点。通过超过1万亿个改良孢子的实验证实,它们在自然条件下无法形成菌落。

为了读取“DNA条形码”,研究人员使用了一种基于CRISPR基因编辑技术的廉价工具,“神探夏洛克”,可以快速且高灵敏度地检测到遗传目标。这项技术是由麻省理工学院布罗德学院和哈佛大学联合开发的,由 James Collins和张峰领导。

该研究的第一作者Jason Qian表示,“孢子可以在野外存活极长时间,是将DNA条形码融入其中的绝佳媒介。识别条形码很简单,只需使用微量盘检测仪和橙色过滤手机摄像头。我们认为现场部署不会有任何挑战。”


现实世界又如何?

研究小组通过各种实验检查了“孢子条形码系统”的功效。他们在实验室里种植植物,并在每种植物上喷洒不同的“条形码孢子”。接种一周后,从每个盆栽中采集一片叶子和一份土壤样本,结果孢子很容易被检测到;即使当叶子混合在一起,研究小组也可以识别出每片叶子来自哪个花盆。

当喷洒在室外的草地上并暴露在自然天气中几个月后,孢子仍然可以检测到,并以最小限度地传播到接种区域之外。在沙子、土壤、地毯和木材等环境表面,孢子仍存活了几个月,随着时间的推移没有损失,而在吸尘、扫地和模拟风雨等干扰后仍然被鉴定出来。

根据研究团队,孢子可以在现实世界的供应链中持续存在。为证明这种理论,他们测试了数十种商店购买的农产品是否存在苏云金芽孢杆菌(Bt)孢子,Bt是一种被广泛用作杀虫剂的细菌物种。团队正确地识别了所有Bt阳性和Bt阴性的植物。

在孢子扩散实验中,研究小组建造了一个100平方米的室内沙坑,发现经过几个月的模拟风、雨和物理干扰后,证明孢子的传播最小。他们还证实,孢子可以从环境中转移到物体上。穿过沙坑的人的鞋子很容易识别出孢子,但在从未接触过孢子的表面行走了几个小时之后,这些表面上没有检测到孢子,所以这表明物体保留了孢子而没有明显扩散。

研究小组指出,这一特性可以用孢子来确定物体是否通过了某特定得接种区域。他们通过将沙坑分成网格来测试这一点,每个网格都贴上了多达四个不同的“孢子条形码”的标签。然后,人与遥控汽车分别在沙坑中任意行进。他们发现,这能够识别物体通过的特定网格,并将假阳性或假阴性降至最低。这又意味着一种可能的应用场景,作为取证或执法的补充工具。

另外,团队还考虑了潜在的隐私影响,指出现有的技术,如紫外线染料,手机跟踪和面部识别已经被广泛使用,但仍然存在争议。Michael Springer认为,科学家的职责是解决科学挑战,但同时确保承担更广泛的社会影响。他认为孢子的“DNA条形码”最适合农业和工业应用,对人类的监视是无效的。无论如何,这项技术的使用和推广都应该考虑到伦理和隐私问题。

研究人员现正探索改进这项系统的方法,包括在孢子中设计潜在的“杀死开关”机制,并找到限制传播的方法,以及检查孢子是否可以用来提供有关位置历史的时间信息。Michael Springer表示,“李斯特菌、沙门氏菌和大肠杆菌等有害食源性病原体的爆发是自然而频繁的。简单、安全的合成生物学工具和基础生物学知识使我们能够创造出在解决现实世界安全问题方面有很大潜力的东西。”

虽然将惰性孢子应用在食品上具有巨大的潜力,但与区块链等其他方法不同,这种方法不会让我们看到食物除了原始来源之外,在运输途中又去了哪些地方。无论如何,这是一种很新颖和有前途的新方法,因为我们正在迈向“后新冠时代”,追踪食物来源正迅速成为一种需求。

文章来源: Jason Qian, Zhi-xiang Lu, Christopher P. Mancuso, Han-Ying Jhuang, Rocío del Carmen Barajas-Ornelas, Sarah A. Boswell, Fernando H. Ramírez-Guadiana, Victoria Jones, Akhila Sonti, Kole Sedlack, Lior Artzi, Giyoung Jung, Mohammad Arammash, Mary E. Pettit, Michael Melfi, Lorena Lyon, Siân V. Owen, Michael Baym, Ahmad S. Khalil, Pamela A. Silver, David Z. Rudner, Michael Springer. Barcoded microbial system for high-resolution object provenance. Science, 2020; 368 (6495): 1135 DOI: 10.1126/science.aba5584
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