生物芯片技术

1、生物芯片技术,生物芯片的定义,生物芯片(biochip) 是将大量的生物大分子，如核苷酸片段、多肽分子、组织切片和细胞等生物样品制成探针，以预先设计的方式有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，构成二维分子阵列，然后与已标记的待测生物样品靶分子杂交，通过检测杂交信号实现对样品的检测，因此该技术一次能检测大量的目标分子，从而实现了快速、高效、大规模、高通量、高度并行性的技术要求;并且芯片技术的研究成果具有高度的特异性、敏感性和可重复性。因常用玻片/硅片等材料作为固相支持物，且在制备过程中模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。,特点,高通量 效率高，成本也低并能防污染 大量的生命

2、活动信息以及许多不连续的分析过程集成在一小片载体片上，从而实现对DNA、蛋白质、细胞以及其他生物组分的准确、快速、并行和大信息量的检测和分析。能在秒计时间内并行完成成千上万次的生物化学反应，众多基因的探针的标记、杂交等过程是在一次实验过程中完成的，自动化程度高，数据客观可靠。,发展历史,1991年Affymatrix公司福德（Fodor）组织半导体专家和分子生物学专家共同研制出利用光蚀刻光导合成多肽； 1992年运用半导体照相平板技术，对原位合成制备的DNA芯片作了首次报道，这是世界上第一块基因芯片； 1993年设计了一种寡核苷酸生物芯片； 1994年又提出用光导合成的寡核苷酸芯片进行DNA序

3、列快速分析； 1995年，斯坦福大学布朗（PBrown）实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片。 1996年灵活运用了照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标记探针杂交等多学科技术创造了世界上第一块商业化的生物芯片；,发展历史,2001年，全世界生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元； 2000-2004年的五年内，在应用生物芯片的市场销售达到200亿美元左右。2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额即达50亿美元，2010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及其

4、它领域中的基因芯片，部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。因此，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为21世纪最大的产业。 2004年3月，英国著名咨询公司弗若斯特沙利文(Frost Syngenta 公司和AstraZeneca Pharmaceuticals公司的科学家设计制作了被称为ToxBlotarrays的DNA芯片, 其第代产品ToxBlot含有大约13000人的基因, 包含了所有毒理学家感兴趣的基因家族和信号通路; 美国化学工业毒物研究所( Chemical Industry Institute of Toxicology) 中专门有一个工作小组用微阵列技术研究一些致癌

5、毒物对人体的作用( http: //toxicogenomics/c onstruction.html) 。,3.生物芯片在分子生态学中的应用,分子生态学是应用分子生物学的原理和方法来研究生命系统与环境系统相互作用的生态机理及其分子机制的科学。目前, 基因芯片已应用到该领域中,用于研究植被在生理适应、形态分化方面的分子基础, 以及植被等在逆境条件下基因表达的变化。 2003年瑞士Syngenta公司以自己开发的水稻20k单色水稻芯片为基础, 对水稻灌浆期的基因表达进行了研究。发现水稻中与产量形成的碳水化台物积累、蛋白储存、脂肪代谢等关键代谢途径中基因表达具有协调一致性。

6、Kawasaki等就用cDNA芯片对水稻在盐胁迫的最初时相内的表达谱做了研究。杨传平等以柽柳(T.androssowii)为研究对象, 通过基因芯片技术研究了NaHCO3胁迫前后柽柳基因的差异表达情况, 为深入研究其抗盐机理奠定了基础。,3.1生物芯片在环境医学中的应用,环境医学是研究环境与人群健康的关系, 特别是研究环境污染对人群健康的有害影响及其预防的一门科学。如今, 生物芯片技术已在环境流行病学、职业病研究和环境医学监测等领域得到了应用。,3.2应用于环境流行病学,周琦等以SARS冠状病毒TOR2株序列为设计标准, 研制出用于检测SARS病毒的全基因芯片, 芯片探针长度为70nt, 相邻

7、探针序列重复25nt, 共660条病毒探针, 覆盖了SARS冠状病毒的全部序列, 应用该基因芯片对病人、出人境食品、动植物及其产品进行检测,结果表明基因芯片技术检测SARS冠状病毒灵敏度高、特异性强, 而且准确、快速。吴海等以HBV、HVC高度保守的片段为探针成功制作了乙、丙型肝炎病毒双检基因芯片, 可望应用于临床。赵伟等将PCR产物用点样仪点于玻片介质上, 制成芯片, 检测40例乙肝患者血清的乙肝病毒, 准确率达80%。,3.3应用于环境医学监测,孟紫强等探讨了SO2的分子毒作用机制, 通过采用Affmetrix 公司的大鼠基因表达谱芯片(RAE230A)研究了短期动态吸入SO2的大鼠肺组织

8、基因表达谱的变化, 并揭示了高浓度SO2短期暴露对基因表达的影响。杨磊等用基因芯片分析急慢性砷染毒时人正常肝细胞(L一02细胞)基因表达谱的变化, 得出了长期染砷后与肿瘤发生及氧化还原有关的基因表达量升高的结论。,环境芯片的在环境科学领域应用前景展望,生物芯片技术是21世纪的朝阳产业, 有很好的发展前景。它克服了传统生物学技术操作繁杂、自动化程度低, 检测效率低等不足, 充分利用了生物科学、信息学等当今前沿领域的研究成果, 现在已越来越广泛的被应用到多个领域中。环境科学研究的主要是环境中的物质, 尤其是人类活动产生的污染物, 及其在环境中的产生、迁移、转变、归宿等过程和运动规律, 因此, 将生物芯片技术引入环境科学研究中有重大意义。生物芯片高信息量、快速、微型化、自动化、成本低、污染少、用途广等优点, 很适应环境学研究中的技术需求, 使其在环境科学领域有很好的应用前景。虽然生物芯片技术在环境领域的应用实例还较少