基因芯片技术及其在农业上的应用

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所属分类:生物信息学

1 基本概念

生物芯片(b ioch ip ) 是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统, 其分析实质是指在基片表面点阵排列了一系列可寻址的识别分子, 反应在相同的条件下进行, 反应结果用同位素法、化学发光法或酶标法显示。

然后用精密的扫描仪或CCD 摄像技术记录, 通过计算机软件分析, 形成可读信息, 实现对细胞、蛋白质、DNA 以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测.

利用生物芯片技术可以将生命科学研究中不连续的分析过程如样品制备、化学反应和定性定量检测等微型化、连续化, 尽量减少空间, 加快速度, 实现生物分析系统的芯片化. 这些分析过程中的某一步或几步微型化集成到一块芯片上就能获得具有特殊功能的芯片, 如用于样品制备的针对DNA 分析的介电电泳芯片[ 1 ];

用于基因突变检测、基因表达和测序的DNA 微阵列芯片[ 2 ]和肽核酸(pep t ide nucleic acids, PNA ) 芯片[ 3, 4 ];

用于蛋白质分析的蛋白质芯片[ 5 ]; 研究蛋白质与DNA 互作的双链DNA 芯片[ 6 ]等. 把上述分析过程全部或部分集成到一张芯片上就是芯片实验室(lab on ch ip )。

用这些生物芯片制作的生化分析仪器具有很多优点: 分析过程自动化, 生产成本低, 防止污染(芯片一次性使用) , 分析速度可以提高成千上万倍, 所需样品和药品的量可以减少99% - 99. 9% , 多样品处理能力极高, 仪器体积小、重量轻, 便于携带。

基因芯片(genech ip ) 是生物芯片的一种, 又称DNA 芯片(DNA ch ip )、DNA 微阵列芯片(DNA m i2 croarray ch ip ) 或寡核苷酸微芯片(o ligonucleo t ide m icroch ip )。

其利用杂交测序(sequencing by hyb ridiza2tion, SBH) 原理, 在载体表面建立可寻址的高密度DNA 分子微阵列, 通过与标记过的样品核酸序列互补匹配, 进行测序或生物基因信息的大规模平行检测。

2 研究背景

生物芯片的概念来自计算机芯片, 是20 世纪80 年代初提出来的, 最初主要指分子电子器件。 目前意义上的生物芯片是90 年代初提出来的, 该概念的提出与人类基因组计划(hum an genom e p ro ject, HGP)有关。

HGP 于1986 年3 月7 日由Du lbecco [ 7 ]首先提出, 1990 年10 月在美国正式启动。 其总目标是在15 a内投入30 亿美元, 测定人类基因组3×109 bp 全序列, 鉴定约10 万个人类基因. 人类基因组十分庞大, 需要快捷、准确、灵敏的测序方法。

然而传统的测序方法如Sanger 双脱氧链终止法和M axam 2Gilbert 化学修饰法技术复杂、耗时长、检测效率低下。

随着HGP 的逐步实施, 大量的新基因被发现, 使得测序方法改进的要求更加突出; 同时, 越来越多的开放读码框架(open reading f ram e, ORF) 被发现, 破译基因功能成为后基因组计划时期更加迫切需要解决的课题, 这些问题为DNA 芯片的诞生提供了客观需要。

基因芯片是以核酸测序为目的出现的, 刚开始被称为生物芯片, 现在生物芯片的研究已经拓展到非核酸领域, 基因芯片的概念因此与生物芯片的概念区别开来。

基因芯片技术是由美国旧金山南部的San ta Clara 的一个新兴生物公司A ffym et rix 首先发展起来的. Steven Fodo r (现为A ffym et rix 公司总裁) [ 8 ]及其同事于20 世纪90 年代初发明了一种利用光刻技术在固相支持物表面上光导合成多肽的方法,。

并在此基础上于1993 年设计出了一种寡核苷酸生物芯片[ 9 ] ,直至1996 年制造出世界上第一块商业化的DNA 芯片[ 10 ]. 在此期间国际上掀起了一股DNA 芯片设计浪潮, 出现了多种类型的DNA 芯片技术。

1994 年在美国能源部防御研究计划署、俄罗斯科学院和俄罗斯人类基因组[ 11 ]计划1 000 多万美元的资助下研制出了一种基因芯片, 用于检测B2地中海人血样的基因突变,筛选了100 多个B2地中海贫血已知的突变基因.

这种基因芯片的基因解码速度比传统的Sanger 双脱氧链终止法和M axam 2Gilbert 化学修饰法快1 000 倍。初期试验的成功吸引了大量的商业资本。1995 年6 月29 日Mo to ro la 公司和Packard 公司与A rgonne 实验室合作开发具有商业价值的生物芯片及相关技术。

1998 年6 月29 日美国宣布正式启动生物芯片计划, 目前美国已经有八家生物芯片公司的股票上市。 迄今为止, 全世界有近两百家公司从事生物芯片相关工艺、设备及检测手段的研究和软件的开发. 目前全球生物芯片产业产值为10 亿美元, 形成了相当规模的新兴产业。 据基因公司估计, 到2005 年基因芯片产值可达到50 亿美元, 到2010 年可达400 亿美元。

我国在这一领域刚刚起步。 我国最先从事生物芯片研究的是中国东南大学微电子物理研究所, 该所拥有9 项国家专利和1 项国际专利。 国际专利技术——分子印章压印准固相原位合成技术使得以该研究所为依托的南京益来有限公司成为全世界拥有高密度基因芯片制造技术的两家公司之一(另一家为美国A ffym et rix 公司)。

1999 年5 月, 生物领域专家在南京和上海召开“生物芯片技术”研讨会, 将生物芯片技术作为重点课题予以启动。 1999 年6 月, 中国科学院上海细胞生物学研究所开发出我国第一块生物芯片——cDNA 芯片.

2000 年2 月, 深圳益生堂生物有限公司与军事医学科学院签署了一项协议, 共同开发生物芯片技术, 这一举措标志着我国生物芯片高新技术产业化正式起步. 目前, 清华大学生命科学工程研究院、军事科学研究院放射医学研究所、中科院上海冶金所、上海细胞生物所、湖南医科大学和华中农业大学等科研院所正在开展生物芯片技术及应用的开发研究。

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