浅谈生物芯片技术及其应用

来源:www.xiangdang.net上传者:杨小疯子时间:2016/12/27

浅谈生物芯片技术及其应用

摘要:生物芯片是指通过微电子、微加工技术在芯片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、DNA、蛋白质、组织、糖类及其他生物组分进行快速、敏感、高效的处理和分析,是近些年来发展迅速的一项高新技术。生物芯片主要包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片等。本文主要概述了生物芯片技术的研究进展及应用。

关键词:生物芯片、研究进展、应用

引言:生物芯片技术是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一,是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术,具有重大的基础研究价值,又具有明显的产业化前景。由于用该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上,所以一次可以对大量的生物分子进行检测分析,从而解决了传统核酸印迹杂交(SouthernBlotting和NorthernBlotting等)技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量(lowthrough-put)等不足。而且,通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值,如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序(Sequencingbyhybridization,SBH)等,为"后基因组计划"时期基因功能的研究及现代医学科学及医学诊断学的发展提供了强有力的工具,将会使新基因的发现、基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破,为整个人类社会带来深刻广泛的变革。该技术被评为1998年度世界十大科技进展之一。

一、生物芯片的分类

它包括基因芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领域。

基因芯片(Genechip)又称DNA芯片(DNAChip)。它是在基因探针的基础上研制出的,所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列,在探针上连接一些可检测的物质,根据碱基互补的原理,利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上,然后与标记的样品进行杂交,通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。

蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同,但它利用的不是碱基配对而是抗体与抗原结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为:选择一种固相载体能够牢固地结合蛋白质分子(抗原或抗体),这样形成蛋白质的微阵列,即蛋白质芯片。

芯片实验室为高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体的便携式生物分析系统,它最终的目的是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成,从而使现有的许多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩化,属未来生物芯片的发展方向。

二、生物芯片的应用

1.基因测序

基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列,这种测定方法快速,具有十分诱人的前景。芯片技术能辨别单核苷酸多态性(SNPs),当基因组序列中的单个核苷酸发生突变,就会引起基因组DNA序列变异。用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差异,结果发现在外显子11约3.4kb长度范围内的核酸序列同源性为83.5%-98.2%,提示了二者在进化上的高度相似性。通过运用DNA微集阵列分析研究与早期心血管疾病相关的候选基因—TSP基因家族,结果发现TSP-1和TSP-4基因错义变异与早期冠状动脉疾病相关,它们在血液凝固和动脉修复中起重要作用,而TSP-2基因非编码区的突变却在心脏病的发生过程有一定的保护作用。在卵巢癌发展过程中,基因TP53起到临界基因作用,分别使用传统的DNA序列分析法和一种TP53寡核苷酸微阵芯片对108例卵巢肿瘤进行分析,根据TP53突变共计识别77例卵巢癌,使用微阵列分析识别71例,而传统的凝胶电泳DNA序列分析识别63例,从整体来看,相对于传统的DNA序列分析而言,寡核苷酸微集阵列显示出更高的精确度和灵敏度。

2.寻找新基因

利用大规模集成电路的手段控制固相合成的成千上万个基因片段探针,并把它们有规律地排列在指头大小的硅片上,然后将要研究的材料(如DNA或cDNA)用荧光标记后在芯片上与探针杂交,再通过激光显微镜对芯片进行扫描,并配合计算机系统对每一个探针上的荧光信号做出比较和检测,从而迅速得出所需的信息。通过对大量信息进行处理,确定细胞的基因表达谱,这与传统的差异显示技术相比具有许多优点,被检测目标DNA密度高,样本用量极少,自动化程度高,便于大量筛出新基因,使发现新基因的速度大大提高,尤其在后基因时代,基因芯片技术将大显身手。为了鉴定果蝇发育过程中的基因表达,制作了高密度的DNA芯片,鉴**果包括了几十个melanogaster基因,除了已知的在变态过程中激活的差异表达基因,还发现了许多与变态控制和执行有关的功能基因。从人外周血淋巴细胞cDNA文库中获得1046个未知序列的克隆,将其制成DNA芯片,

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