基因芯片及其在病原微生物检测中的应用

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所属分类:生物信息学

基因芯片是近年来迅速发展的一门生物高新技术,它以其能够快速、高效、大规模地同步检测生物遗传信息的卓越功能而得到发展。在基因测序、基因表达分析、药物筛选、基因诊断等领域显示出重要的理论和实用价值。基因芯片是指应用大规模集成电路的微阵列技术。

在固相支持物表面(常用的固相支持物有玻璃、硅片、尼龙膜等载体)有规律地合成数万个代表不同基因的寡核苷酸“探针”或液相合成探针后由点样器有规律地点样于固相支持物表面;

然后将要研究的目的材料中的DNA、RNA或用cDNA同位素或荧光物标记后,与固相支持物表面的探针进行杂交,通过放射自显影或荧光共聚焦显微镜扫描,对这些杂交图谱进行检测;再利用计算机对每一个探针上的杂交信号作分析处理,便可得到目的材料中有关基因表达信息。

该技术可将大量的探针同时固定于支持物上,所以一次可对大量核酸分子进行检测分析。

基因芯片分类

基因芯片按其片基不同可分为无机片基芯片和有机合成片基芯片:如果按其应用不同,可分为表达谱芯片、诊断芯片、检测芯片;如果按其结构不同可分为DNA阵列和寡核苷酸芯片;如果按其制备方法不同可分为原位合成芯片和合成后交联芯片。

目前,常用于基因芯片制作的固相支持物主要包括半导体硅片、普通玻璃片、尼龙膜等基质。它们各有优缺点,可根据不同的用途和目的选择使用。用硅片制作的芯片,其DNA探针排列的密度高,在1.28cm芯片上,可达40万点阵。

检测灵敏度高但专一性差。用玻璃制作的芯片,可用于双色荧光标记杂交,便于杂交信号的检测,但其灵敏度低,而且对玻璃片的处理要求高。尼龙膜主要用于制作eDNA芯片,即将不同的eDNA片断点阵于尼龙膜上,它可用同位素标记检测,灵敏度高,专一性好,但是DNA阵列的密度低。

DNA探针的制备及固化

探针的制备及固化有2种方法:

①在片基上原位合成寡核苷酸;

②在片基以外制备DNA探针,并以显微打印等手段将其固化于片基上。

作者介绍了待测DNA样品的制备、标记样品与基因芯片杂交、杂交信息的检测与分析、操作过程中存在的问题及解决办法。

基因芯片可以对病原细菌检测、病毒的检测及其他方面如支原体检测等。

问题和展望

基因芯片在病原微生物检测中具有快速、灵敏、高通量、自动化等特点。但目前仍面临一些问题有待解决,这些问题主要体现在硬件和软件2个方面。

在硬件方面,DNA芯片技术需要昂贵的尖端仪器,如生产原位合成芯片需要光刻机器和寡核苷酸合成仪;构建DNA微集阵列的自动仪器约需8万美元以上,而检测芯片则要激光共聚焦显微镜、落射荧光显微镜等设备,费用较高。在软件(即技术)上也存在一些问题。

首先,探针制备的环节上,原位合成寡核苷酸技术复杂,且有专利保护,合成过程中有可能插入错误核苷酸或混入杂质,降低了特异性和信噪比;显微打印技术较灵活,易实现,但需收集或合成大量探针,且阵列的集成度不高。

其次,在样品和芯片杂交的环节上 ,因为杂交在固相上进行,空间因素会对杂交造成不利影响;

还有,在一个芯片上存在多种探针,这对杂交条件是个挑战,因为这种探针的最适条件未必适合另一种探针;而且,复杂的探针如长寡核苷酸容易自身形成二 、三级结构,影响与靶序列的杂交或给出错误的阴性信号,当然在其它技术环节上也存在着一些难题,如样品准备复杂、检测的灵敏度低等。

虽然基因芯片技术在多个环节上有待提高,但它在生命科学及相关领域中已呈现出广阔的应用前景,相信随着研究的不断深入和技术的更加完善,基因芯片会成为基础研究和临床应用的强有力工具。

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