基因芯片技术简介和应用展望

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所属分类:生物信息学

基因芯片(Gene Chip)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。基因芯片的概念现已泛化到生物芯片(biochip)、微阵列(Microarray)、DNA芯片(DNA chip),甚至蛋白芯片。

基因芯片集成了探针固相原位合成技术、照相平板印刷技术、高分子合成技术、精密控制技术和激光共聚焦显微技术,使得合成、固定高密度的数以万计的探针分子以及对杂交信号进行实时、灵敏、准确的检测分析变得切实可行。

基因芯片技术在分子生物学研究领域、医学临床检验领域、生物制药领域和环境医学领域显示出了强大的生命力,其中关键就是基因芯片具有微型化、集约化和标准化的特点,从而有可能实现“将整个实验室缩微到一片芯片上”的愿望。

基因芯片在国内外已形成研究与开发的热潮,许多科学家和企业家将基因芯片同当年的PCR相提并论,认为它将带来巨大的技术、社会和经济效益,正如电子管电路向晶体管电路和集成电路发展是所经历的那样,核酸杂交技术的集成化也已经和正在使分子生物学技术发生着一场革命。

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,下面主要介绍四类基因芯片。

一、光引导原位合成技术生产寡聚核苷酸微阵列

开发并掌握这一技术的是Affymetrix公司,Affymetrix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1×106/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。

原位合成法主要为光引导聚合技术(Light-directed synthesis),它不仅可用于寡聚核苷酸的合成,也可用于合成寡肽分子。光引导聚合技术是照相平板印刷技术(photolithography)与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。半导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制作微型电子线路。固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法,技术成熟且已实现自动化。二者的结合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。

Affymetrix公司已有诊断用基因芯片成品上市,根据用途可以分为三大类,分别为基因表达芯片、基因多态性分析芯片和疾病诊断芯片,基因表达分析芯片和基因多态性分析芯片主要用于研究机构和生物制药公司,可以用来寻找新基因、基因测序、疾病基因研究、基因制药研究、新药筛选等许多领域,Affymetrix公司主要生产通用寡聚核苷酸芯片;疾病诊断芯片则主要用于医学临床诊断,包括各种遗传病和肿瘤等,目前Affymetrix公司生产三种商品化诊断芯片,分别为p53基因突变诊断芯片、艾滋病病毒基因基因突变诊断芯片和细胞色素P450基因突变诊断芯片。

二、微电子芯片

Nanogen开发了多位点电控阵列并含独立可寻址检测区域的微电子基因芯片,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。无论在芯片制造或成品芯片检测,均可通过相似微电极的电场变化来使核酸结合,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。这种微电子基因芯片具有以下优点:

1.电场定位过程能选择性地转运带电荷DNA分子,通过每个微电极位点的电场正负、强弱变化,能准确有效地随意调控芯片表面的核酸,既可将核酸结合在微电极位点上,也可以使核酸转运出来。

2.通过电场变化能加快DNA杂交速率,通过导入正电场后,可以大大加快待测核酸同已知探针的结合速率,减少了杂交反应时间,同普通的“被动”杂交反应的几小时相比,这种“主动”杂交反应仅仅几秒钟就可完成。另外电场变化又可有效地去除未结合游离分子,减少未结合荧光信号干扰。

3.通过电子严谨度可有效地控制杂交过程中的错配度,杂交错配的程度,对不同的要求上要给以不同的电场就可以符合不同的电子严谨度,这对核酸杂交严格度可以非常灵活地控制,这可以非常准确地进行SNP检测。

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