基于基因芯片的生物信息学研究-生物信息技术硬件方面的研究课件

基于基因芯片的生物信息学研究计算机系田晓基于基因芯片的生物信息学研究计算机系1生物信息学

交叉领域一门新兴的学科起源：计算机技术和人类基因组计划的发展学科组成：传统意义上的生物信息学（bioinformatics）：用于建立现代生物学所需信息系统框架（支持生物学的信息管理系统、分析工具和通讯网络）的研究开发工作。计算生物学（computationalbiology）：旨在理解基本生物学问题的基于计算的研究工作。生物信息学交叉领域一门新兴的学科2生物信息学的研究内容生物信息的收集、存储、管理与提供基因组序列信息的提取和分析功能基因组相关信息分析生物大分子结构模拟和药物设计生物信息分析的技术与方法研究应用与发展研究生物信息学的研究内容生物信息的收集、存储、管理与提供3生物信息学的研究目标揭示“基因组信息结构的复杂性及遗传语言的根本规律”。生物信息学的研究目标揭示“基因组信息结4生物信息技术的研究方法和工具

两种研究方法和工具：细胞蛋白质二维凝胶电泳即2-D-gel及相应的质谱法测量蛋白质分子量生物芯片技术（Biochip技术）生物信息技术的研究方法和工具两种研究方法和工具：5什么是生物芯片一块指甲大小（1cm3）的有多聚赖氨酸包被的硅片或其它固体支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等）。生物芯片通过微加工和微流体系统将生化分析中的样品制备、生化反应、及结果检测有机地结合集成在一起。具有高速度、分析自动化、及高度并行处理能力。什么是生物芯片一块指甲大小（1cm3）的有多6生物芯片的发展80年代，俄罗斯国家科学院恩格尔分子生物学研究所和美国阿贡国家实验室开始探索生物芯片技术1989年，在美国AFFYMETRIX公司诞生了世界上第一块原位合成基因芯片1992年，斯坦福大学P.B.Brown实验室发布了世界第一个微阵列技术1996年，AFFYMETRIX公司登陆纳斯达克2004年，全球有超过2000家公司和实验室从事生物芯片相关研究和产业生物芯片的发展80年代，俄罗斯国家科学院恩格尔分子生物学研究7生物芯片类型基因芯片蛋白质芯片组织芯片细胞芯片生物芯片类型基因芯片8基因芯片及其特点基因芯片是按特定的排列方式固定有大量基因探针（或基因片段）的硅片、玻片、塑料片。基因芯片的特点：技术操作简单自动化程高序列数量大检测效率高应用范围广成本相对低基因芯片及其特点基因芯片是按特定的排列方式固定有大量基因探针9基因芯片的类型（一）

基因芯片按其材质和功能，可以分为一下几类：元件型微阵列芯片生物电子芯片凝胶元件微阵列芯片药物控制芯片通道型微阵列芯片毛细管电泳芯片PCR扩增芯片集成DNA分析芯片毛细管电层析芯片生物传感芯片光学纤维阵列芯片白光干涉谱传感器芯片基因芯片的类型（一）基因芯片按其材质和功能，可以10基因芯片的类型（二）按基因芯片点阵的制备方法，可以分为：原位合成适用于寡核苷酸。根据预先设计的点阵序列在每个位点通过有机合成的方式直接聚合得到所要求的探针分子。两种途径：光刻法：可合成30nt左右，每步缩合率较低为95％左右，产率仅20％，

需要特殊的合成试剂。

压电打印法：可合成50nt左右，每步缩合率为99％以上，产率可达74％

不需要特殊的合成试剂。

直接点样多用于大片段DNA，有时也用于寡核苷酸，甚至mRNA。将合成好的探针、cDNA、基因组通过特定的高速点样机器人直接点在芯片上。优点：方法较原位合成简单，定量准确，重现性好，使用寿命命长。缺点：喷印的斑点大，探针密度低。基因芯片的类型（二）按基因芯片点阵的制备方法，可以分为：11基因芯片的类型（三）按基因芯片的支持物，可以分为：薄膜型：如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。其点阵通过“点膜”形式制作，并通过一定的方法使探针能够牢固地结合在上面。玻片型：其点阵通过原位合成技术制作，点阵密度很高，必须借助于特殊的仪器对测定结果进行解读和分析。微板型：一种具有高密度、小容量测试孔的小型酶联免疫检测板集成电路型

：将杂交技术与微电子技术结合于一体有目的地通过电子装置检测或控制DNA等生物大分子的作用过程。基因芯片的类型（三）按基因芯片的支持物，可以分为：12基因芯片的应用基因表达检测寻找新基因DNA测序突变体和多态性的检测其它：如药物筛选、疾病诊断、基因扫描、基因文库作图等基因芯片的应用基因表达检测13基因芯片研制的总体蓝图

基因组序列分析与待检基因探针序列的确定检测样品的制备探针阵列的准备杂交检测与数据分析检测设备的研制研制方向的确定基因芯片研制的总体蓝图

基因组序列分析与待检基因探针序列的14基因芯片的相关技术合适探针的选择PCR技术点样技术包被技术Microarray和Macroarray基因芯片的相关技术合适探针的选择15基因芯片相关的设备制作设备杂交箱洗板机点样仪烘箱成像及分析系统原位合成仪分子交联仪激光共聚焦扫描仪点样机器人玻片扫描设备基因芯片相关的设备制作设备16基因芯片检测系统组成：光纤光谱仪、控温器、x-y扫描平台检测方法：基因芯片非标记检测法FITC标记检测法基因芯片检测系统组成：光纤光谱仪、控温器、x-y扫描平台17DNA芯片的制作原理DNA芯片的制作原理18基于基因芯片的生物信息学研究计算机系田晓基于基因芯片的生物信息学研究计算机系19生物信息学

交叉领域一门新兴的学科起源：计算机技术和人类基因组计划的发展学科组成：传统意义上的生物信息学（bioinformatics）：用于建立现代生物学所需信息系统框架（支持生物学的信息管理系统、分析工具和通讯网络）的研究开发工作。计算生物学（computationalbiology）：旨在理解基本生物学问题的基于计算的研究工作。生物信息学交叉领域一门新兴的学科20生物信息学的研究内容生物信息的收集、存储、管理与提供基因组序列信息的提取和分析功能基因组相关信息分析生物大分子结构模拟和药物设计生物信息分析的技术与方法研究应用与发展研究生物信息学的研究内容生物信息的收集、存储、管理与提供21生物信息学的研究目标揭示“基因组信息结构的复杂性及遗传语言的根本规律”。生物信息学的研究目标揭示“基因组信息结22生物信息技术的研究方法和工具

两种研究方法和工具：细胞蛋白质二维凝胶电泳即2-D-gel及相应的质谱法测量蛋白质分子量生物芯片技术（Biochip技术）生物信息技术的研究方法和工具两种研究方法和工具：23什么是生物芯片一块指甲大小（1cm3）的有多聚赖氨酸包被的硅片或其它固体支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等）。生物芯片通过微加工和微流体系统将生化分析中的样品制备、生化反应、及结果检测有机地结合集成在一起。具有高速度、分析自动化、及高度并行处理能力。什么是生物芯片一块指甲大小（1cm3）的有多24生物芯片的发展80年代，俄罗斯国家科学院恩格尔分子生物学研究所和美国阿贡国家实验室开始探索生物芯片技术1989年，在美国AFFYMETRIX公司诞生了世界上第一块原位合成基因芯片1992年，斯坦福大学P.B.Brown实验室发布了世界第一个微阵列技术1996年，AFFYMETRIX公司登陆纳斯达克2004年，全球有超过2000家公司和实验室从事生物芯片相关研究和产业生物芯片的发展80年代，俄罗斯国家科学院恩格尔分子生物学研究25生物芯片类型基因芯片蛋白质芯片组织芯片细胞芯片生物芯片类型基因芯片26基因芯片及其特点基因芯片是按特定的排列方式固定有大量基因探针（或基因片段）的硅片、玻片、塑料片。基因芯片的特点：技术操作简单自动化程高序列数量大检测效率高应用范围广成本相对低基因芯片及其特点基因芯片是按特定的排列方式固定有大量基因探针27基因芯片的类型（一）

基因芯片按其材质和功能，可以分为一下几类：元件型微阵列芯片生物电子芯片凝胶元件微阵列芯片药物控制芯片通道型微阵列芯片毛细管电泳芯片PCR扩增芯片集成DNA分析芯片毛细管电层析芯片生物传感芯片光学纤维阵列芯片白光干涉谱传感器芯片基因芯片的类型（一）基因芯片按其材质和功能，可以28基因芯片的类型（二）按基因芯片点阵的制备方法，可以分为：原位合成适用于寡核苷酸。根据预先设计的点阵序列在每个位点通过有机合成的方式直接聚合得到所要求的探针分子。两种途径：光刻法：可合成30nt左右，每步缩合率较低为95％左右，产率仅20％，

需要特殊的合成试剂。

压电打印法：可合成50nt左右，每步缩合率为99％以上，产率可达74％

不需要特殊的合成试剂。

直接点样多用于大片段DNA，有时也用于寡核苷酸，甚至mRNA。将合成好的探针、cDNA、基因组通过特定的高速点样机器人直接点在芯片上。优点：方法较原位合成简单，定量准确，重现性好，使用寿命命长。缺点：喷印的斑点大，探针密度低。基因芯片的类型（二）按基因芯片点阵的制备方法，可以分为：29基因芯片的类型（三）按基因芯片的支持物，可以分为：薄膜型：如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。其点阵通过“点膜”形式制作，并通过一定的方法使探针能够牢固地结合在上面。玻片型：其点阵通过原位合成技术制作，点阵密度很高，必须借助于特殊的仪器对测定结果进行解读和分析。微板型：一种具有高密度、小容量测试孔的小型酶联免疫检测板集成电路型

：将杂交技术与微电子技术结合于一体有目的地通过电子装置检测或控制DNA等生物大分子的作用过程。基因芯片的类型（三）按基因芯片的支持物，可以分为：30基因芯片的应用基因表达检测寻找新基因DNA测序突变体和多态性的检测其它：如药物筛选、疾病诊断、基因扫描、基因文库作图等基因芯片的应用基因表达检测31基因芯片研制的总体蓝图

基因组序列分析与待检基因探针序列的确定检测样品的制备探针阵列的准备杂交检测与数据分析检测设备的研制研制方向的确定基因芯片研制的总体蓝图

基因组序列分析与待检基因探针序列的32基因芯片的相关技术合适探针的选择PCR技术点样技术