生物芯片希望之光.docVIP

生物芯片——希望之光 基因组研究的目的是提供生物学家等同于化学元素周期表作用的“生物元素周期表”——标明组成生命体所有基因的结构及功能，并能阐明其相互内在关系及多层次分类的生物信息表。而在短短的十年前，人们还认为这仅仅是个幻想。化学元素周期表仅由数百种元素组成，但由其所形成的生物有机体数量却是巨大的——数以千计的细菌及千万种的哺乳动物。而基因组图谱的测序则远远地超过之而占据主导地位：目前，已经达到百万碱基，在不远的将来，将达到十亿碱基的水平。下一步目标是揭示其内在关系和规则。化学元素周期表以元素的特性定义其在表中的行列位置，并进而能预示元素亚原子结构秘密。依此类推，组成生物体的约十万个基因也会根据其特性而排列组合。生物元素周期表将不局限于二维，其在生物发育及基因表达的各阶段具有共性和个性；编码及调节区中主要的DNA序列；各物种及亚群中多样性变化；发育、生理反应及疾病时的RNA表达的时间及地点；蛋白产物亚细胞定位及分子间相互作用。而传统的从基因到基因（gene-by-gene）的研究方法已经无法完成以上如此复杂的工作，非常有必要对生物进程从全局的观念（global views）进行理解，也就是同时解析生物体相关所有组份。 生物芯片首次提供了对这种全局观念的解决之道。它提供了系统地揭示DNA和RNA变化的方法，有可能成为未来生物学研究和临床诊断的通用手段。其广阔的应用前景极大地吸引了众多的公共及私人企业中的目光，将其发展的重点定位在以生物芯片为基础的生物信息学研究和开发领域之中。图1　　追朔到一个多世纪之前，EdSouthern先生发现被标记的核酸分子能够与另一被固化的核酸分子酸对杂交。因此，Southernblot可被看做是最早的生物芯片。稍后，人们又发明了以各种膜片为基础的克隆库扫描技术，它引入了克隆与杂交信号——对应关系的概念。再一次的进步是克隆库的分格处理技术，即先将其分布在微孔板的微孔中，然后粘贴到膜片的固定位置上，这样，每个克隆可以被识别并且其相关特征也会不断积累。这之后，大量的实验随之兴起，通过将mRNA与分格固化在尼龙膜上的cDNA库杂交，多家实验室进行了表达分析实验。虽然其思路合理，但真正实现仍有许多困难。 　　两种关键技术的发明排除了生物芯片实用化的障碍，并使得其应用突飞猛进，日新月异。其一是非孔的固相支持物如玻璃片的使用，它使得微量和荧光检测技术的实现成为可能。可以通过高速机械手和连续点样技术将10,000个cDNA均匀等距离地点在一块常用的显微镜载玻上，并与双标记的探针杂交。信号的强弱用共聚焦的芯片检测器测量（图1），Pat Brown及其同事所最先发明了这种方法。其二是高密度原位合成寡聚核甘酸的方法Steve Fodor及同事采用半导体制造中的光板印刷屏蔽技术而生产芯片，其在仅20平方微米上可以合成达400，000个目的寡聚核甘酸。其它还有采用微喷技术进行原位合成的尝试。 图2 　　就目前生物芯片制作点样系统的设计性能而言，应该达到的指标包括：多针头自动同时取样，取样板可以是96孔板，也可以是384孔板；单针取样量为250到500n1；每次点样量为100到150ul；点样直径为100到150um；系统点样分辨率达到10um；系统可以直接通过程序控制进行连续点样操作；为使点样精度保持恒定，其固相介质如玻璃片必须通过适当机制进行位置固定；各类型针尖必须具备单次取样连续点样的功能。系统最重要的要求是必须达到高通量和高精度的要求。目前已经商业化的产品中，以Cartesian公司Pixsys系列点样产品最具代表性。完全能够满足对生物芯片制作系统设计的完整要求。 　　新一代生物芯片技术目前仍然处于萌芽时期。原因在于众多的科学文献仅仅在探讨生物芯片技术本身而不是其真正应用研究工作，其技术手段本身也仅在少数几家实验室建立，对多数实验室来说，组建生物芯片设备及后期购买芯片设备的投资也相当昂贵。但无论如何，随着经济状况的进一步改善，芯片市场的自由竞争的加剧，以及时间的延续，正像最初计算机CPU的发展过程一样，以上的问题会得到根本的解决。 　　目前大多数有关生物芯片的研究项目主要集中在对RNA表达水平的检测。其突出的进展体现在对Saccharomycescerevisiae酵母的研究中。随着酵母全基因组序列的探明，人们已经制作了包含全部酵母基因的寡取核甘酸及cDNA芯片 （图2），并将其应用在RNA的表达检测中，其检测的综合费用明显低于常规的单细胞信息的传统方法。研究酵母的遗传学家目前正致力于探讨诸如酵母有丝分裂和减数分裂等基础生理过程的RNA全局表达研究。 　　对哺乳类动物的基因组研究，芯片的研究方法同样适用。包括5，000到10，000个基因的芯片已经普遍使用，目前的方法已经达到能够十分可靠地检测单一哺乳类细胞中的数个拷贝