《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Guided and programmable nuclease-based biosensing in food safety, quality, and authenticity detection: A comparative analysis of recent developments
编辑推荐：
食品安全、质量与真伪检测中CRISPR/Cas与Argonaute系统的比较分析及集成应用研究。
李新月|毛永波|田宇涵|乔佳静|赵瑞波|彭卫攀|满淑丽|高志贤|马龙
国家食品营养与安全重点实验室，教育部工业微生物学重点实验室，天津市工业微生物学重点实验室，代谢控制发酵技术国家与地方联合工程实验室，中国食品营养/安全与药物化学国际科技合作基地，天津科技大学生物技术学院，天津，300457，中国
摘要
背景
食品安全、质量和真实性对全球公共卫生和经济至关重要。传统的检测方法往往耗时较长，需要大量的实验室设施，并且不适合快速、现场筛查，因此存在显著的需求缺口。因此，迫切需要创新的识别元件以及信号转导和放大模块，以实现有效的食品安全危害生物传感。最近，像CRISPR/Cas和Argonaute这样的引导性和可编程核酸酶被重新用于检测食品安全、质量和真实性问题，显示出作为下一代食品检测工具的巨大潜力。
范围和方法
本综述对CRISPR/Cas和Argonaute系统的分子机制和独特特性进行了比较分析。重点介绍了它们在检测各种食源性危害（如细菌、病毒、残留物、毒素和过敏原）、质量指标（如新鲜度和腐败）以及真实性标志物方面的应用性能。此外，还讨论了将这些核酸酶与先进生物传感器、纳米技术和其他前沿技术的结合。综述最后概述了当前面临的挑战、提出的解决方案和未来发展方向。
主要发现和结论
对CRISPR/Cas和Argonaute系统的比较分析突显了它们在解决食品安全、质量和真实性检测关键挑战方面的强大潜力。这些挑战包括来自食物基质的干扰、对低丰度目标的灵敏度不足，以及缺乏多重、快速、现场检测平台。需要继续研究和开发，以充分发挥这些系统的能力，实现全面的食品监测。
引言
与食品安全、质量和真实性验证相关的挑战是全球公共卫生的关键优先事项（Marpaung等人，2025年）。除了直接的健康风险外，这些相互关联的问题还对经济可持续性、消费者信任和全球供应链的完整性产生深远影响（Bhat等人，2025年）。食品安全的范围很广，包括来自各种来源的微生物、化学和物理污染物，这使得统一监测和控制变得复杂（Tang等人，2024年）。受污染的食物每年导致约6亿例疾病和42万人死亡，给全球健康和经济带来了巨大负担（Hema & Manickavasagan，2024年）。这一危机因日益复杂的国际供应链和新威胁的不断出现而加剧（Ze等人，2024年）。
除了安全性之外，食品质量的下降是另一个关键且相互关联的问题。它由腐败微生物、酶活性、脂质氧化、水分损失和非酶褐变等因素引起，通常会导致风味、质地和颜色的不良变化（Chao等人，2025年）。三磷酸腺苷（ATP）、生物胺和挥发性有机化合物（VOCs）等指标对于监测腐败和异味的发展至关重要（Deng等人，2025年）。食品系统的完整性还受到真实性和欺诈问题的影响。出于经济动机的掺假行为，包括物种替换、成分稀释、虚假地理标签和误导性声明，导致重大经济损失并削弱了消费者信任（Deng等人，2024年）。在日益不透明和扩展的全球供应链中，这些欺诈行为使得可追溯性和监管监督变得更加复杂，给确保食品系统的完整性带来了额外的障碍。
有效监测食品安全危害、质量参数和真实性需要强大可靠的检测技术。传统方法，如微生物培养、酶联免疫吸附测定（ELISA）和聚合酶链反应（PCR），已被广泛用于检测与安全相关的污染物（Hameed等人，2018年）；感官评估、物理化学分析和色谱法（C. Chen等人，2025年；Xue等人，2025年）；以及DNA测序、同位素比分析和基于蛋白质的检测（Marin等人，2025年）。然而，这些方法存在固有的局限性，包括操作程序耗时（从几小时到几天不等）、依赖专业人员、成本高昂以及依赖集中式实验室设施。这些限制严重限制了它们在分散供应链中进行快速、现场或大规模筛查的实用性，从而在实时食品监测方面存在显著的技术差距。
为了解决这一差距，可编程核酸酶，特别是CRISPR/Cas（成簇规律间隔短回文重复序列/CRISPR相关蛋白）和Argonaute系统，作为变革性的多功能生物传感工具出现，重塑了核酸检测的格局（Y. Li, J. Jia等人，2023年；Xiong等人，2025年）。它们的核心创新在于引导性识别和切割机制，赋予了对DNA或RNA序列的卓越可编程性和特异性（Peng等人，2025年）。这种可编程性、灵敏度和现场部署潜力的独特结合，架起了高精度实验室分析和现场应用之间的桥梁，为综合食品监测提供了变革潜力（Lee等人，2025年）。
为了展示可编程核酸酶技术在食品安全、质量和真实性检测中的研究现状，进行了文献计量分析。如图1A所示，关键词共现网络显示该领域以核心CRISPR相关术语为主，外围节点表明从工具开发向应用检测的转变（包括“快速检测”和“食品安全”）。CRISPR术语周围的强聚类与Argonaute关键词的外围位置形成对比，突显了研究上的不平衡。这表明Argonaute系统仍处于早期阶段，需要重点探索，特别是在与CRISPR的比较和协同应用方面。SCI索引论文的发表趋势显示自2018年以来年度产出显著增加，反映了强烈的研究兴趣（图1B）。值得注意的是，关键词频率统计显示了对“CRISPR/Cas12a”及相关核酸检测的压倒性关注，而与Argonaute相关的术语则很少出现（图1C）。图1D中的聚类结果揭示了一个从工具开发到实际应用的创新链。这一分析强调了一个以CRISPR为主导的技术生态系统，Argonaute正在并行发展，但尚未成为成熟的检测工具。未来的工作应优先考虑跨学科整合和开发强大的、可现场部署的平台。
尽管这一领域充满活力且不断扩展，但直接比较这两种可编程核酸酶家族的统一框架仍然缺乏，对比它们的固有优势、局限性和在食品分析中的最佳应用场景。因此，本综述旨在提供CRISPR/Cas和Argonaute系统的系统比较分析。我们阐明了它们的基本机制，批判性地评估了它们在检测多种目标（包括核酸和非核酸危害）方面的性能，强调了集成生物传感策略，并讨论了当前挑战和未来发展方向，以指导开发强大的、适合现场使用的解决方案。
CRISPR/Cas和Argonaute系统的概述与比较
CRISPR/Cas和Argonaute系统都采用引导介导的核酸切割，但它们的作用机制不同：CRISPR/Cas系统是由RNA引导的，而Argonaute蛋白则使用DNA引导。这些系统作为下一代生物传感技术的有希望的候选者，特别是在食品安全、质量和真实性检测方面（Li等人，2022年；Y. Li, L. Zhao等人，2024年）。它们独特的生化特性导致了不同的应用（图2A）。
CRISPR/Cas和Argonaute的比较分析：提升核心检测能力
可编程核酸酶在食品检测中的实际应用不仅受其内在分子特性的影响，还受其在现实世界分析环境中的稳健性和适应性的影响。为了全面评估和比较CRISPR/Cas和Argonaute系统作为下一代生物传感平台的性能，必须从几个关键维度来评估它们在食品安全、质量和真实性监测中的效用。
挑战与展望
可编程核酸酶（如CRISPR/Cas和Argonaute系统）在改变食品安全、质量和真实性检测方面的潜力得到了广泛认可。然而，从实验室研究到在全球食品供应链中的广泛应用（涵盖农场、加工厂和边境检查点）仍然具有挑战性（图5）。我们在表2中总结了最近的一些代表性检测平台及其关键性能参数。结论
总之，可编程核酸酶（CRISPR/Cas和Argonaute）已成为食品安全、质量和真实性诊断的变革性工具，解决了三个长期存在的行业难题：在复杂基质中检测微量病原体、多重筛查共存危害，以及无需实验室设施的现场部署。CRISPR/Cas系统通过trans-切割实现超灵敏的单目标检测，使其非常适合快速筛查
未引用的参考文献
Chen等人，2025年；Chen等人，2025年；Chen等人，2025年；Jiao等人，2026年；Li等人，2025年；Li等人，2024年；Li等人，2025年；Li等人，2023年；Li等人，2023年；Li等人，2024年；Li等人，2024年；Li等人，2025年；Liu等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2024年；Xu等人，2025年；Zheng等人，2025年。
作者贡献
李新月：撰写原始稿件、审稿与编辑、绘图、调查、方法学、概念化。毛永波：撰写原始稿件、审稿与编辑、绘图。田宇涵：撰写原始稿件、绘图。乔佳静：撰写原始稿件、绘图。赵瑞波：撰写原始稿件、绘图。彭卫攀：撰写原始稿件、审稿与编辑、监督。满淑丽：撰写审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了生成式AI工具，包括ChatGPT（OpenAI）和DeepSeek，主要用于语言润色、句子重组和提高初稿的整体可读性。重要的是，所有关键的科学概念、数据分析、解释、结论和论证的逻辑流程都是由作者原创和发展的。使用这些工具后，作者进行了批判性审查、实质性修改和严格
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（32572693、32372415、32072309）、天津市科学技术委员会（25JCLMJC00050、23JCJQJC00090、22YFZCSN00070、19JCYBJC27800）的财政支持。
