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基因芯片技术
基因芯片技术
摘要:基因芯片技术具有无可比拟的高效、快速和多参量特点,使其进行基因
研究、法医鉴定、疾病检测和药物筛选等方面远远超过了传统方式方法在不远的将来,用它制作的微缩分析仪将广泛地应用于分子生物学、医学基础研究、临床诊断治疗、新药开发、司法鉴定、食品卫生监督、生物武器战争等领域。
关键字:基因芯片简介、基因芯片的种类、基因芯片技术、基因芯片的应用技术举例及其应用领域
一、基因芯片简介
基因芯片(GeneChip)通常指DNA芯片,其基本原理是将指大量寡核苷酸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弱进而判断样品中靶分子的数量,是在90年代中期发展出来的高科技产物。基因芯片大小如指甲盖一般,其基质一般是经过处理后的玻璃片。每个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小区。在指定的小区内,可固定大量具有特定功能、长约20个碱基序列的核酸分子(也叫分子探针)。
二、基因芯片的种类
基因芯片产生的基础则是分子生物学、微电子技术、高分子化学合成技术、激光技术和计算机科学的发展及其有机结合。根据基因芯片制造过程中主要技术的区别,以下是主要的三类基因芯片。
(1) 光引导原位合成技术生产寡聚核苷酸微阵列它采用了照相平板印刷技术技术结合光引导原位寡聚核苷酸合成技术制作
DNA芯片,生产过程同电子芯片的生产过程十分相似。采用这种技术生产的基因芯片可以达到1X106/cm2的微探针排列密度,能够在一片1厘米多见方的片基上排列几百万个寡聚核苷酸探针。它不仅可用于寡聚核苷酸的合成,也可用于合成寡肽分子,为合成高密度核酸探针及短肽列阵提供了一条快捷的途径。
(2) 微电子芯片微电子基因芯片,其基质全部以硅、锗与基础的半导体材料,在其上构建
25-400个微铂电极位点,各位点可由计算机独立或组合控制。它通过相似微电极的电场变化来使核酸结合,由于引入“电子严谨度”参数使芯片检测通过靶、探针序列特征和使用者要求来控制杂交过程中的严格性。
(3)微量点样技术使用这种方法生产的芯片上探针不受探针分子大小种类的限制,能够灵活机动地根据使用者的要求制作出符合目的的芯片。由于对检测仪的要求很高,其使用范围受到很大限制
三、基因芯片的应用技术举例
基因破译
目前,由多国科学家参与的“人类基因组计划”,正力图在21世纪初绘制出完整的人类染色体排列图。众所周知,染色体是dna的载体,基因是dna上有遗传效应的片段,构成dna的基本单位是四种碱基。由于每个人拥有30亿对碱基,破译所有DNA的碱基排列顺序无疑是一项巨型工程。与传统基因序列测定技术相比,基因芯片破译人类基因组和检测基因突变的速度要快数千倍。
基因芯片的检测速度之所以这么快,主要是因为基因芯片上有成千上万个微凝胶,可进行并行检测;同时,由于微凝胶是三维立体的,它相当于提供了一个三维检测平台,能固定住蛋白质和DNA并进行分析。
美国正在对基因芯片进行研究,已开发出能快速解读基因密码的“基因芯片”,使解读人类基因的速度比目前高1000倍。图1所示为一种内嵌基因芯片的基因检测装置。
基因诊断
通过使用基因芯片分析人类基因组,可找出致病的遗传基因。癌症、糖尿病等,都是遗传基因缺陷引起的疾病。医学和生物学研究人员将能在数秒钟内鉴定出最终会导致癌症等的突变基因。借助一小滴测试液,医生们能预测药物对病人的功效,可诊断出药物在治疗过程中的不良反应,还能当场鉴别出病人受到了何种细菌、病毒或其他微生物的感染。利用基因芯片分析遗传基因,将使10年后对糖尿病的确诊率达到50%以上。未来人们在体检时,由搭载基因芯片的诊断机器人对受检者取血,转瞬间体检结果便可以显示在计算机屏幕上。利用基因诊断,医疗将从千篇一律的“大众医疗”的时代,进步到依据个人遗传基因而异的“定制医疗”的时代。
基因环保
基因芯片在环保方面也大有可为。基因芯片可高效地探测到由微生物或有机物引起的污染,还能帮助研究人员找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。这种对环境友好的基因一旦被发现,研究人员将把它们转入普通的细菌中,然后用这种转基因细菌清理被污染的河流或土壤。
基因计算
DNA分子类似“计算机磁盘”,拥有信息的保存、复制、改写等功能。将螺旋状的DNA的分子拉直,其长度将超过人的身高,但若把它折叠起来,又可以缩小为直径只有几微米的小球。因此,DNA分子被视为超高密度、大容量的分子存储器。
基因芯片经过改进,利用不同生物状态表达不同的数字后还可用于制造生物计算机。基于基因芯片和基因算法,未来的生物信息学领域,将有望出现能与当今的计算机业硬件巨头一一英特尔公司、软件巨头一一微软公司相匹敌的生物信息企业。
四、基因芯片应用领域
(1)科研领域
1998年底美国科学促进会将基因芯片技术列为1998年度自然科学领域十大进展之一,足见其在科学史上的意义。其应用主要包括基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图以及杂交测序等方面。目前美国人类基因组计划正在大力发展这一技术争取能替代目前的自动测序,同现有的手工测序和自动测序相比,基因芯片测序能节省大量的试剂和仪器损耗。在基因表达检测的研究上人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进行了研究。实践证明基因芯片技术也可用于核酸突变的检测及基因组多态性的分析,与常规测序结果一致性达到
98%等的突变检测,对人类基因组单核苷酸多态性的鉴定、作图和分型、人线粒体基因组多态性的研究等。将生物传感器与芯片技术相结合,通过改变探针阵列区域的电场强度已经证明可以检测到基因的单碱基突变,通过确定重叠克隆的次序从而对酵母基因组进行作图。
(2)生物制药领域
大药厂和生物技术公司将会使用基因芯片发现筛选新药等。采用基因芯片可以迅速而准确地完成这一任务,美国某公司曾开发出一种用于新药,能够显著地降低低密度脂蛋白-一种能引起血管硬化的物质,随后公司的科研人员采用基因芯片研究了这种新药对人体细胞基因表达的影响,发现它能显著地改变细胞的基因表达图谱,十分类似有又一种毒性反应,该公司只好终止了这种药物的研发,由此公司节省了大量的投资。
(3)医学诊断
1、在优生方面,目前知道有600多种遗传疾病与基因有关。妇女在妊娠早期用DNA芯片做基因诊断,可以避免许多遗传疾病的发生。
2、在疾病诊断方面,由于大部分疾病与基因有关,而且往往与多基因有关,因而,利用DNA芯片可以寻找基因与疾病的相关性,从而研制出相应的药物和提出新的治疗方法。DNA芯片的高密度信息量和并行处理器的优点不仅使多基因分析成为可能,而且保证了诊断的高效、廉价、快速和简便。
3、 应用于器官移植、组织移植、细胞移植方面的基因配型,如HLA分型。
4、 病原体诊断,如细菌和病毒鉴定、耐药基因的鉴定。
5、 在环境对人体的影响方面,已知花粉过敏等人体对环境的反应都与基因有关。若对与环境污染相关的200多个基因进行全面监测,将对生态环境控制及人类健康有重要意义。
目前,科学界公认基因芯片技术将给下个世纪生命科学和医学研究带来一场革命。我国科学家正在加速研制这种可能快捷便利提取DNA,查找遗传基因特性的新技术。相信,这一现代生物与高科技联姻的成果将为二十一世纪的发展作出巨大的贡献!通过对基因芯片的了解,人们越来越重视其应用的发展。相信在不久的将来,人们会更好的利用并发挥其功用。
参考文献:1.《基因芯片技术:解码生命》李瑶主编,化学工业出版社
《生物医学微系统技术及应用》蒋稼欢编著,化学工业出版社
《现代生命科学导论》北京大学生命科学学院编写组,高等教育出版社
《基因芯片数据分析与处理》李瑶主编,化学工业出版社