生物芯片技术简介

生物芯片技术简介生物芯片技术通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命相关的信息分子，它可以对生命科学与医学中的各种生物化学反应过程进行集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。它的出现将给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的革新甚至革命。生物芯片技术研究的背景原定于2005年竣工的人类30亿碱基序列的测定工作（HumanGenomeProject，基因组计划）由于高效测序仪的引入和商业机构的介入已经完成，。怎样利用该计划所揭示的大量遗传信息去探明人类众多疾病的起因和发病机理，并为其诊断、治疗及易感性研究提供有力的工具，则是继人类基因组计划完成后生命科学领域内又一重大课题。现在，以功能研究为核心的后基因组计划已经悄然走来，为此，研究人员必需设计和利用更为高效的硬软件技术来对如此庞大的基因组及蛋白质组信息进行加工和研究。建立新型、高效、快速的检测和分析技术就势在必行了。这些高效的分析与测定技术已有多种，如DNA质谱分析法，荧光单分子分析法，杂交分析等。其中以生物芯片技术为基础的许多新型分析技术发展最快也最具发展潜力。早在1988年，Bains等人就将短的DNA片段固定到支持物上，以反向杂交的方式进行序列测定。当今，随着生命科学与众多相关学科（如计算机科学、材料科学、微加工技术、有机合成技术等）的迅猛发展，为生物芯片的实现提供了实践上的可能性。生物芯片的设想最早起始于80年代中期，90年代美国Affymetrix公司实现了DNA探针分子的高密度集成，即将特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一块玻璃、硅等固体片基上，作为核酸信息的载体，通过与样品的杂交反应获取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了微电子学的并行处理和高密度集成的概念，因此具有高效、高信息量等突出优点。基因芯片技术的前景基因芯片用途广泛，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等各个领域有着广泛的用武之地。这些无疑将会产生巨大的社会和经济效益。有着广泛的经济、社会及科研前景。因此，国际上一些著名的政治家,投资者和科学家均看好这一技术前景。认为基因芯片以及相关产品产值有可能超过微电子芯片,成为下一世纪最大的高技术产业，具有巨大的商业潜力。一、社会前景基因芯片可为研究不同层次多基因协同作用提供手段。这将在研究人类重大疾病的相关基因及作用机理等方面发挥巨大的作用。人类许多常见病如肿瘤、心血管病、神经系统退化性疾病、自身免疫性疾病及代谢性疾病等均与基因有密切的关系。生物芯片能为现代医学发展提供强有力的手段，促进医学从“系统、血管、组织和细胞层次”（第二阶段医学）向“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次”（第三阶段医学）过渡，使之尽快进入实际应用。DNA芯片技术可用于水稻抗病基因的分离与鉴定。水稻是我国的主要粮食作物，病害是提高水稻产量的主要限制因素。利用转基因技术进行品种改良,是目前最经济有效的防治措施。而应用这一技术的前提是必须首先获得优良基因克隆,但目前具有专一抗性的抗病基因数量有限，限制了这一技术的应用。而基因芯片用于水稻抗病相关基因的分离及分析，可方便的获取抗病基因，产生明显的社会效益。在医药设计、环境保护、农业等各个领域，基因芯片均有很多用武之地，成为人类造福自身的工具二、经济前景美国总统克林顿在1998年1月对全国的演讲中指出“未来十二年,基因芯片将为我们一生中的疾病预防指点迷津”。1998年6月27日华盛顿邮报在报道Motorola进入基因芯片领域时,认为这将造福于子孙后代。美国“Fortune”杂志在1997年3月重点介绍了基因芯片技术,论述了未来产业化的前景,该文预测“在2005年仅仅在美国用于基因组研究的芯片销售额将达约50亿美元,2023年有可能上升为400亿美元”。这还不包括用于疾病预防及诊治以及其它领域中的基因芯片，这部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。由于生物芯片的重大意义和巨大的商业潜力,北美和欧洲许多国家的政府和公司投入大量人力物力来推动此项研究工作。如美国的国立卫生研究院、商业部高技术署、国防部、司法部和一些大公司以及风险投资者投入了数亿美元的巨资。基因芯片以及相关产品产业有可能成为下一世纪最大的高技术产业之一。三、社会前景1、高密度芯片的批量制备技术：利用平面微细加工技术，结合高产率原位DNA合成技术，制备高密度芯片是重要的发展趋势。2、高密度基因芯片的设计将会成为基因芯片发展的一个重要课题，它决定基因芯片的应用和功能。利用生物信息学方法，根据被检测基因序列的特征和检测要求，设计出可靠性高，容错性好，检测直观的高密度芯片是决定其应用的关键。3、生物功能物质微阵列芯片的研制：发展高集成度的生物功能单元的微阵列芯片，特别是发展蛋白质、多肽、细胞和细胞器、病毒等生物功能单元的高密度自组装技术，研制和开发有批量制备潜力的生物芯片制备技术。表达谱基因芯片表达谱基因芯片是用于基因功能研究的一种基因芯片。是目前技术比较成熟，应用最广泛的一种基因芯片检测原理用不同的荧光染料通过逆转录反应将不同组织或细胞的mRNA分别标记成不同的探针，将探针混合后与芯片上的基因进行杂交、洗涤，用特有的荧光波长扫描芯片，得到这些基因在不同组织或细胞中的表达谱图片，再通过计算机分析出这些基因在不同组织中表达差异的重要信息。是基因功能研究的一种重要手段。应用意义对来源于不同个体（正常人与患者）、不同组织、不同细胞周期、不同发育阶段、不同分化阶段、不同病变、不同刺激（包括不同诱导、不同治疗阶段）下的细胞内的mRNA或逆转录后产生的cDNA与表达谱基因芯片进行杂交，可以对这些基因表达的个体特异性、组织特异性、发育阶段特异性、分化阶段特异性、病变特异性、刺激特异性进行综合的分析和判断，迅速将某个或几个基因与疾病联系起来，极大地加快这些基因功能的确立，同时进一步研究基因与基因间相互作用的关系。所以，无论何种研究领域，利用表达谱基因芯片可以获得大量与研究领域相关的基因，使研究更具目的性和系统性，同时也拓宽研究领域。表达谱基因芯片与传统NorthernBlot比较采用表达谱基因芯片研究基因表达与传统的NorthernBlot相比有许多重要的优点：茅检测狂系统燃的微雾型化舟，对虚样品竞等需币要量留非常炮小望同时申研究姓上万燕个基情因的福表达欢变化牧，研玩究效繁率明蒙显提备高阁能更混多地夜揭示球基因扩之间跃表达巧变化秘的相誓互关护系，利从而恼研究扎基因吸与基希因之赌间内集在的仿作用亏关系脑检测雅基因嘴表达愧变化罗的灵面敏度联高，锹可检宰测丰符度相窑差几例个数指量级靠的表妨达情剩况滤节约满费用猾和时嗓间踩制作停技术增光引爷导原帅位合毫成色原位肺合成排适于球制造剪寡核录苷酸信和寡怒肽微丸点阵敞芯片乖，具虏有合追成速羽度快貌、相三对成原本低余、便政于规侦模化恳生产鲁等优艇点。王照相阶平板京印刷棵技术兰是平药板印欺刷技汗术与押DN响A和丸多肽广固相耳化学沃合成奶技术搜相结臣合的卖产物承，可令以在仪预设栽位点坐按照漆预定协的序怪列方邀便快资捷地廊合成铜大量亩寡核俘苷酸宇或多狱肽分额子。悲在生急物芯孩片研谢制方辩面享写有盛辞誉的熔美国候Af城fy茄me码tr邀ix杏公司干运用丢该技酒术制肌造大亡规模茄集成臂Ge糟ne嫁ch柜ip趣。原春位合锦成后古的寡私核苷兰酸或荒多肽欧分子临与玻佛片共态价连裁接。判它用颤预先致制作训的蔽弦光板绒和经每过修属饰的轻4种咏碱基怖，通阀过光黑进行懂活化所从而醋以固派相方糕式合杨成微列点阵汪。合滋成前愧，预挽先将址玻片驱氨基便化，跟并用汪光不蛛稳定睁保护鱼剂将敢活化铺的氨圾基保互护起扩来。说聚合环用单把体分芒子一设端活危化另棉一端么受光匆敏保欣护剂窑的保辩护。旋选择团适当负的挡浮光板立使需挨要聚泊合的太部位您透光浪，不率需要棵发生贪聚合毛的位疲点蔽虫光。孟这样候，光闭通过盘挡光咏板照萌射到域支持竹物上微，受歼光部楼分的园氨基感解保诉护，督从而分与单这体分低子发势生偶项联反编应。筝每次的反应螺在成疏千上饲万个筒位点严上添临加一皮个特图定的尺碱基房。由涛于发纱生反毅应后承的部少位依呈然接书受保核护剂专的保省护，蚁所以珠可以我通过详控制洽挡光愁板透进光与煌蔽光惧图案乐以及户每次晶参与痕反应哥单体钱分子弹的种恩类，寄就可希以实刘现在咐特定做位点参合成俭大量沙预定曾序列谜寡核我苷酸刘或寡丸肽的该目的段。由粉于照屋相平德板印轿刷技啊术每耀步的盏合成便效率烘较低哑（9只5%钞）[榴2]熄，合毕成3衔0n捧t的拒终产钉率仅响为2电0%谊，所丰以该挺技术件只能蓝合成房30闪nt舍左右搞长度供的寡温核苷桂酸。融在此麻基础歇上，纵有人沃将光额引导摊合成更技术轮与半登导体径工业伤所用翅的光典敏抗匙蚀技腐术相达结合出，以昼酸作强为去才保护战剂，彼将每弦步合迎成产锣率提捐高到搏99幅%，属但制贷造工塌艺复园杂程北度增迎加了唐许多龙[3幕]。辈所以绵如何务简便贱地提费高合欠成产挑率是袋光引化导原织位合肠成技谨术劫有待贤解决却的问且题。害(见困下图侦)饱打印量原位钩合成河压电倦打印候原位慧合成率的方采式类顾似于砍喷墨播打印璃机，阴合成狡原理艇与传崭统的涌核酸刘或寡头肽固量相合常成技撞术相抱同。竭合成恋过程奸为：芬合成以前以朗与光想引导椒原位半合成妻类似恨的方原式对急芯片希片基苹进行祝预处况理，证使其令带有搂反应愚活性疲基团国，例翻如伯德氨基洽。同貌时，碎将合滔成用产前体亭分子孕（D哗NA叫合成陶碱基醋、c舟DN壳A和瓦其它贵分子牧）放枪入打样印墨役盒内论，由畏电脑昌依据效预定美的程旦序在灿xy驴z方傍向自参动控泳制打铁印喷根头在钓芯片带支持乎物上此移动苏，并扣根据著芯片租不同馆位点扔探针雹序列障需要摇将特航定的统碱基贿合成境前体欢试剂间（不邮足纳翠升）忠喷印宝到特脆定位节点。犯喷印开上去输的试权剂即隔以固屋相合瞎成原荷理与短该处敞支持惠物发效生偶鱼联反盐应。倍由于温脱保戒护方陡式为腹酸去鞠保护患，所臭以每主步延竹伸的赵合成扇产率凝可以购高达兴99夜%，优合成医的探麻针长洒度可喘以达兽到4阀0~艇50闲nt墨。以携后每借轮偶虹联反脖应依悠据同月样的耻方式问将需烦要连春接的述分子庭喷印涉到预岩定位蚊点进滤行后琴续的饱偶联槽反应过。类胖似地剩重复阳此操汽作可疤以在律特定职位点潮按照窑每个肝位点岔预定诱的序古列合窃成出轰大量纹的寡帝核苷赖酸探诵针。捡点愈样埋法猪点样距法在均多聚清物的分设计墙方面漫与原环位合啊成技俯术相嫁似。情只是娱合成将工作倘用传张统的响DN狂A、峰多肽递合成况仪或岔PC来R扩虹增或泽体内子克隆锯等方猪法完穿成。脑大量得制备那好的历核酸液探针比、多膜肽、斜蛋白刃等生愁物大葵分子讨再用聚特殊齿的自均动化炎微量猪点样逢装置程将其株以较铜高密铁度互上不干抬扰地暑印点拌于经骑过特座殊处翠理的绪玻片裹、尼菌龙膜反、硝苍酸纤暴维素寒膜上纹，并虾使其劲与支坡持物买牢固之结合仙。支况持物瘦需预指先经唉过特屯殊处跪理，建例如旨多聚撤赖氨哲酸或握氨基揪硅烷样等。骆亦可逃用其食它共方价结忠合的在方法旋将这议些生仿物大笨分子陡牢牢迹地附爸着于印支持猴物上粱。现获在已肺经有昂比较咳成型那的点捞样装湾置出改售，彼例如吉美国博Bi域od雹ot用公司沾的“毙喷印淡”仪构以及精Ca列rt金es傻ia银n给Te修ch灿no粥lo博gi淡es戴公司肉的P拳ix兰-S仍ys仅N燃Q/和PA度系列赚“打保印”旅仪。傻这些蜜自动厉化仪营器依两据所变配备个的“峡打印词”或追“喷派印”剪针将鼻生物撒大分徒子从垂多孔脱板吸亏出直式接“正打印思”或字“喷者印”设于芯厘片片歌基上伴(见头下图腾)。痰“打听印”睡时针绢头与击芯片招片基狱表面甲发生怀接触俭而“炎喷印境”时串针头歉与片妖基表态面保讯持一乡定的努距离吊。所鄙以，伴“打趁印”喇仪适壮宜制蛇作较走高密荡度的朱微阵避列（鹿例如景25嗽00痒点/杨cm短2）罪，“缘喷印撞”法别由于揪“喷坚印”鞭的斑堤点较暮大，吴所以忙只能沫形成斯较低妻密度拼的探海针阵劝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