基因芯片——“生物信息精靈”

1、基因芯片“生物信息精靈”文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) ——淺談數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)在現(xiàn)代生命科學(xué)研究中的作用二十世紀(jì)是物理科學(xué)的世紀(jì)，而二十一世紀(jì)則是生命科學(xué)的世紀(jì)。生命科學(xué)，尤其是生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，不僅與人類健康，農(nóng)業(yè)發(fā)展以及生存環(huán)境密切相關(guān)，而且還將對其它學(xué)科的發(fā)展起到促進(jìn)作用，所謂"今天的科學(xué)，明天的技術(shù)，后天的生產(chǎn)"。而生命科學(xué)的基礎(chǔ)性研究是現(xiàn)代生物技術(shù)的源泉、科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。 現(xiàn)代生物技術(shù)，是一門領(lǐng)導(dǎo)尖端科技的學(xué)科，正因如此，我很想知道它與數(shù)學(xué)——我得專業(yè)課，計(jì)算機(jī)等理論或技術(shù)是怎樣有機(jī)的聯(lián)系在一起的?；诖?，我利用課余時(shí)間

2、查閱了許多網(wǎng)站、書籍，并有了小小的收獲?，F(xiàn)就“基因芯片”技術(shù)，淺談如下。一、基因芯片簡介基因芯片，也叫dna芯片，是在90年代中期發(fā)展出來的高科技產(chǎn)物?；蛐酒笮∪缰讣咨w一般，其基質(zhì)一般是經(jīng)過處理后的玻璃片。每個(gè)芯片的基面上都可劃分出數(shù)萬至數(shù)百萬個(gè)小區(qū)。在指定的小區(qū)內(nèi)，可固定大量具有特定功能、長約20個(gè)堿基序列的核酸分子（也叫分子探針）。由于被固定的分子探針在基質(zhì)上形成不同的探針陣列，利用分子雜交及平行處理原理，基因芯片可對遺傳物質(zhì)進(jìn)行分子檢測，因此可用于進(jìn)行基因研究、法醫(yī)鑒定、疾病檢測和藥物篩選等?；蛐酒夹g(shù)具有無可比擬的高效、快速和多參量特點(diǎn)，是在傳統(tǒng)的生物技術(shù)

3、如檢測、雜交、分型和dna測序技術(shù)等方面的一次重大創(chuàng)新和飛躍。二、基因芯片技術(shù)生物芯片技術(shù)是于90年代初期隨著人類基因組計(jì)劃的順利進(jìn)行而誕生，它是通過像集成電路制作過程中半導(dǎo)體光刻加工那樣的微縮技術(shù)，將現(xiàn)在生命科學(xué)研究中許多不連續(xù)的、離散的分析過程，如樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和定性、定量檢測等手段集成于指甲蓋大小的硅芯片或玻璃芯片上，使這些分析過程連續(xù)化和微型化。也就是說將現(xiàn)在需要幾間實(shí)驗(yàn)室、檢驗(yàn)室完成的技術(shù)，制作成具有不同用途的便攜式生化分析儀，使生物學(xué)分析過程全自動(dòng)化，分析速度成千上萬倍地提高，所需樣品及化學(xué)試劑成千上萬倍地減少。可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的將來，用它制作的微縮分析儀將廣泛地應(yīng)用于分子生物

4、學(xué)、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床診斷治療、新藥開發(fā)、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、生物武器戰(zhàn)爭等領(lǐng)域。生物芯片技術(shù)是目前應(yīng)用前景最好的dna分析技術(shù)之一，分析對象可以是核酸、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、組織等。目前全世界用生物芯片進(jìn)行疾病診斷還處于研究階段，國外已將其用于觀察癌基因及肌萎縮等一些遺傳病基因的表達(dá)和突變情況。生物芯片技術(shù)還可以用于治療，例如已開發(fā)出在4平方毫米的芯片上布滿400根有藥物的針，定時(shí)定量為病人進(jìn)行藥物注射。另外，科學(xué)家還在考慮制作定時(shí)釋放胰島素治療糖尿病的生物芯片微泵及可以置入心臟的芯片起搏器等。生物芯片技術(shù)與組合化學(xué)相結(jié)合將開辟另一個(gè)極有價(jià)值的應(yīng)用方向，即為新藥研制提供超高通量篩選平臺技術(shù)，這必

5、將使新藥研究開發(fā)和傳統(tǒng)中藥的成分評估獲得重大突破。三、基因芯片的應(yīng)用技術(shù)舉例1、基因破譯目前，由多國科學(xué)家參與的“人類基因組計(jì)劃”，正力圖在21世紀(jì)初繪制出完整的人類染色體排列圖。眾所周知，染色體是dna的載體，基因是dna上有遺傳效應(yīng)的片段，構(gòu)成dna的基本單位是四種堿基。由于每個(gè)人擁有30億對堿基，破譯所有dna的堿基排列順序無疑是一項(xiàng)巨型工程。與傳統(tǒng)基因序列測定技術(shù)相比，基因芯片破譯人類基因組和檢測基因突變的速度要快數(shù)千倍。 基因芯片的檢測速度之所以這么快，主要是因?yàn)榛蛐酒嫌谐汕先f個(gè)微凝膠，可進(jìn)行并行檢測；同時(shí)，由于微凝膠是三維立體的，它相當(dāng)于提供了一個(gè)三維

6、檢測平臺，能固定住蛋白質(zhì)和dna并進(jìn)行分析。 美國正在對基因芯片進(jìn)行研究，已開發(fā)出能快速解讀基因密碼的“基因芯片”，使解讀人類基因的速度比目前高1000倍。圖1所示為一種內(nèi)嵌基因芯片的基因檢測裝置。2、基因診斷通過使用基因芯片分析人類基因組，可找出致病的遺傳基因。癌癥、糖尿病等，都是遺傳基因缺陷引起的疾病。醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究人員將能在數(shù)秒鐘內(nèi)鑒定出最終會(huì)導(dǎo)致癌癥等的突變基因。借助一小滴測試液，醫(yī)生們能預(yù)測藥物對病人的功效，可診斷出藥物在治療過程中的不良反應(yīng)，還能當(dāng)場鑒別出病人受到了何種細(xì)菌、病毒或其他微生物的感染。利用基因芯片分析遺傳基因，將使10年后對糖尿病的確診率達(dá)到

7、50以上。 未來人們在體檢時(shí)，由搭載基因芯片的診斷機(jī)器人對受檢者取血，轉(zhuǎn)瞬間體檢結(jié)果便可以顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。利用基因診斷，醫(yī)療將從千篇一律的“大眾醫(yī)療”的時(shí)代，進(jìn)步到依據(jù)個(gè)人遺傳基因而異的“定制醫(yī)療”的時(shí)代。3、基因環(huán)?；蛐酒诃h(huán)保方面也大有可為?；蛐酒筛咝У靥綔y到由微生物或有機(jī)物引起的污染，還能幫助研究人員找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。這種對環(huán)境友好的基因一旦被發(fā)現(xiàn)，研究人員將把它們轉(zhuǎn)入普通的細(xì)菌中，然后用這種轉(zhuǎn)基因細(xì)菌清理被污染的河流或土壤。4、基因計(jì)算dna分子類似“計(jì)算機(jī)磁盤”，擁有信息的

8、保存、復(fù)制、改寫等功能。將螺旋狀的dna的分子拉直，其長度將超過人的身高，但若把它折疊起來，又可以縮小為直徑只有幾微米的小球。因此，dna分子被視為超高密度、大容量的分子存儲(chǔ)器。 基因芯片經(jīng)過改進(jìn)，利用不同生物狀態(tài)表達(dá)不同的數(shù)字后還可用于制造生物計(jì)算機(jī)?；诨蛐酒突蛩惴?，未來的生物信息學(xué)領(lǐng)域，將有望出現(xiàn)能與當(dāng)今的計(jì)算機(jī)業(yè)硬件巨頭英特爾公司、軟件巨頭微軟公司相匹敵的生物信息企業(yè)。四、基因芯片的實(shí)際應(yīng)用基因芯片在生命科學(xué)、醫(yī)藥研究、環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。在基因芯片的驅(qū)動(dòng)下，人類正進(jìn)入一個(gè)嶄新的生物信息時(shí)代。1、在美國科學(xué)家第一次將一個(gè)他們稱之為生物芯片的計(jì)算機(jī)芯片植入人體

9、的細(xì)胞上，從而使人體細(xì)胞與計(jì)算機(jī)連接。這是美國科學(xué)家波利斯·魯賓斯基（boris lubinsky）和他的同事黃永（譯音）在3月份的美國生物醫(yī)學(xué)微設(shè)備雜志中著文披露的。2、人體細(xì)胞外面包有一個(gè)細(xì)胞膜，該細(xì)胞膜具有使特定物質(zhì)單向通過的功能。多年來，科學(xué)家們一直尋求找到用電沖擊的方法，使所希望的物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞膜，但直 到目前為止，所用的方法有時(shí)成功，有時(shí)失敗。而使用魯賓斯基和黃永研究出來的 新方法，細(xì)胞膜由計(jì)算機(jī)得到一個(gè)信號，讓某些物質(zhì)進(jìn)入到細(xì)胞中。隨具體場合的 不同，這些物質(zhì)可以是例如用來改變基因的遺傳物質(zhì)，也可以是藥物或蛋白質(zhì)。這樣，就可以更好地使這些物質(zhì)發(fā)生效力。 魯賓斯基等科學(xué)

10、家打算研制出能對例如神經(jīng)細(xì)胞和肌肉等人體組織發(fā)出指令的生物芯片，這樣至少會(huì)使人所服用的藥物發(fā)揮更大的效力。俄亥俄州立大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程中心主任莫里羅·弗拉里稱魯賓斯基的這項(xiàng)發(fā)明是處在發(fā)展階段早期的具有潛在作用的實(shí)驗(yàn)室工具。 美國科學(xué)家們稱，他們已經(jīng)找到了一種能使人體細(xì)胞和電路進(jìn)行交配的生物工程芯片，它能在醫(yī)學(xué)和基因工程學(xué)方面發(fā)揮關(guān)鍵的作用。 這種比頭發(fā)還小還細(xì)的微型裝置使健康人體細(xì)胞和電子芯片結(jié)合，通過電腦對芯片進(jìn)行控制，科學(xué)家認(rèn)為他們能夠控制細(xì)胞的活動(dòng)。 電腦向細(xì)胞芯片發(fā)送電脈沖，激發(fā)細(xì)胞膜孔張開，并激活細(xì)胞?？茖W(xué)家希望能夠大批量地生產(chǎn)這種細(xì)胞芯片，并能夠把它們植入人體，取代或修

11、正病變組織。 領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的加州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授鮑里斯·魯賓斯基說：“細(xì)胞芯片還使科學(xué)家在復(fù)雜的基因治療過程中更準(zhǔn)確地進(jìn)行控制，因?yàn)樗麄兡軌蚋鼫?zhǔn)確地開啟細(xì)胞孔。” 魯賓斯基還說：“我們在生物學(xué)領(lǐng)域里引入了工程學(xué)的精髓，我們完全可以在不影響周圍其它細(xì)胞的情況下輸入dna、提取蛋白質(zhì)以及注射藥物。” 該細(xì)胞芯片的出現(xiàn)與長期存在的一種理論有關(guān)，即一定量的電壓能夠穿透細(xì)胞膜。 多年來，科學(xué)家一直在進(jìn)行用電力轟擊細(xì)胞試驗(yàn)的遺傳研究，希望藉此引入新的療法和基因物質(zhì)。研究人員希望能最終制造出與激活不同的身體組織（從肌肉到骨骼到大腦）所需的準(zhǔn)確的

12、電壓量相調(diào)合的細(xì)胞芯片。那樣的話，將會(huì)有數(shù)以千計(jì)的細(xì)胞芯片用來治療各種類型的疾病。3、用獨(dú)創(chuàng)技術(shù)自行研制的中國第一片應(yīng)用型基因芯片于近日在第一軍醫(yī)大學(xué)正式誕生。據(jù)第一軍醫(yī)大學(xué)有關(guān)負(fù)責(zé)人透露，該軍醫(yī)大研制成功的基因芯片，是中國首次應(yīng)用一種創(chuàng)新的基因片擴(kuò)增技術(shù)，率先攻克了內(nèi)地同行在基因芯片研究中首先面臨的快速經(jīng)濟(jì)地搜集數(shù)以萬數(shù)基因探針難題，并巧妙運(yùn)用新技術(shù)手段明顯地降低成本。 目前，該芯片已完成實(shí)驗(yàn)室工作，即將進(jìn)入臨床驗(yàn)證階段，如果順利，用於臨床診斷的基因芯片可望不久投入批量生產(chǎn)。但到目前為止，全世界還沒有實(shí)際用於臨床應(yīng)用診斷的基因芯片生產(chǎn)。 在實(shí)驗(yàn)室里，將這幾片比大拇指蓋稍大的基因芯片，放在檢測

13、器上，與之相連的電腦屏幕上立刻出現(xiàn)了縱橫交錯(cuò)的紅紅綠綠熒光點(diǎn)，出現(xiàn)的每個(gè)熒光點(diǎn)就是一個(gè)基因片斷的點(diǎn)陣。只要取病人一滴血放在芯片檢測卡上，經(jīng)過分子雜交后，連上電腦就可以立刻顯示出基因變化情況，并通過電腦把基因語言翻譯成醫(yī)生能讀得懂的信息，從而對疾病做出準(zhǔn)確的診斷。 這種芯片的成功誕生，標(biāo)志著疾病的診斷由細(xì)胞和組織水平推進(jìn)到基因水平。它們的開發(fā)應(yīng)用將在環(huán)境污染控制、動(dòng)植物檢疫、器官移植、產(chǎn)前診斷、藥物篩選、藥物開發(fā)等方面展示出廣闊的前景。五、生命科學(xué)漸成it公司關(guān)注焦點(diǎn)人類基因組工作草圖繪畢的消息像打開了阿里巴巴寶藏的大門，以基因技術(shù)為核心的生命科學(xué)市場正吸引著越來越多的淘金者。近來，為這些淘金者

14、生產(chǎn)“鐵锨”的資訊科技（it）公司的積極行動(dòng)頗為引人注目。1、揭開基因之迷須破譯大量數(shù)據(jù)人類基因組草圖僅僅是讀出了“生命之書”，而要真正讀懂它，揭示所有基因編碼所代表的信息，還必須破譯浩如煙海的數(shù)據(jù)。 在著名的英國桑格中心里，有關(guān)人類基因組的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到22萬億字節(jié)，是世界上首屈一指的美國國會(huì)圖書館藏書內(nèi)容的兩倍多。據(jù)這家中心估計(jì)，在未來兩至三年內(nèi)，與人類基因組有關(guān)的數(shù)據(jù)量還將上升到50萬億至100萬億字節(jié)。2、生命科學(xué)公司10%投資用于開發(fā)資訊科技為了解決處理數(shù)據(jù)所需的龐大計(jì)算能力的問題，世界上最大的12家生命科學(xué)公司目前把近10%的科研預(yù)算用

15、于資訊科技投資，而且這個(gè)比例可能還將增長。 據(jù)美國國際商業(yè)機(jī)器公司（ibm）估計(jì)，與生命科學(xué)有關(guān)的資訊科技市場將在今年達(dá)到35億美元，到2003年達(dá)到90億美元。3、市場潛力巨大一些著名的it企業(yè)，已將眼光瞄準(zhǔn)了這一潛力巨大的市場。例如，ibm已經(jīng)決定投資1億美元，用五年時(shí)間研制一種名為“藍(lán)基因”的超級電腦。 “藍(lán)基因”的運(yùn)算能力將是美國現(xiàn)有40臺最快的超級電腦運(yùn)算能力總和的40倍，它主要用于模擬人類蛋白折疊成特殊形狀的過程。世界最大的個(gè)人電腦制造商美國康柏公司，也垂涎這塊“肥肉”。4、康柏趁早下手培養(yǎng)未來客戶基礎(chǔ)已經(jīng)成為

16、生命科學(xué)領(lǐng)域電腦服務(wù)器主要供應(yīng)商的康柏公司最近宣布，它將繼續(xù)投資1億美元，支持新興生物技術(shù)公司，以培養(yǎng)未來的客戶基礎(chǔ)。 其實(shí)，it公司還遠(yuǎn)不止盯著這些近期利益。以基因研究為基礎(chǔ)的生物經(jīng)濟(jì)可能在新世紀(jì)里成為新經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，對此人們已經(jīng)達(dá)成共識。5、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者能享有巨大經(jīng)濟(jì)利益根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，率先進(jìn)入市場的公司大多能夠成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定者，這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)往往意味著巨大的經(jīng)濟(jì)利益。 今年8月，德國獅生命科學(xué)公司的股票上市。由于投資者看中這家公司的基因次序檢索系統(tǒng)（srs）可能成為行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)，其股票價(jià)格在短短時(shí)間里迅速上漲了50%。6、政府支持基因研究it公司進(jìn)軍生命科學(xué)領(lǐng)域，與各國政府對基因研究的支持密不可分。為了在基因組研究的下一個(gè)階段——分析蛋