基因芯片检测转基因植物方法学的建立-基因芯片技术及其应用.pdf

第一邵分 第二章基因芯片枝术及其反用 第二章 基因芯片技术及其应用 月u舀 生物芯片技术是20世纪90年代半导体技术和生物技术 “联姻”的结晶。它是根 据生物大分子间具有特异相互识别的能力，通过使用半导体工业中的微加工、微电子 和其它相关技术，在玻璃、硅片或尼龙膜等各种固体支持物上构建的微型生化分析系 统，通过计算机对反应信号搜集处理，可对细胞、糖、脂、核酸、蛋白质以及其它小分 子物质进行检测，从而具有高速度、分析自动化和高度并行处理能力。以此为核心的 各相关产业正在全球迅速崛起，具有形成巨大产业的潜能。 1985年，美国科学家率先在国际上提出了 “人类基因组计划”，该计划与人类登 月计划、核弹计划并称为人类三大工程。随看这一计划的不断实施和发展 ，产生了生 物芯片技术。生物芯片的最初构想来源于Affymetrix公司的前身Affymax公司里的 一次即兴的建议，由Fodor组织半导体专家和分子生物学专家共同研制出来的。1991 年在美国硅谷，Affymetrix公司是第一家从事生物芯片研制的公司，他们利用光刻技 术与光化学合成技术相结合制作了检测多肚和寡聚核普酸的微阵列(microarray)芯 片(Fodor等，1991)01992年从Affymax派生出来的世界上第 一家专门生产生物芯片 的公司Affymetrix宣告成立。1993年设计了一种寡核有酸生物芯片「a1994年又 提出用光导合成的寡核曹酸芯片进行DNA序列快速分析。5年后的1996年该公司的 基因芯片产品投放市场，如用于检测HIV基因与p53肿瘤基因突变的芯片，还有用于研 究药物新陈代谢时基因变化的细胞色素p450芯片。1998年美国纳米基因公司的研究 小组利用电子生物芯片在世界 卜构建了首例微型化的生化实验室，通称芯片实验室 (lab-on-chip)(Cheng等，1998b)，此项成果被美国Science杂志选入了1998年的世 界 卜大科技突破之中。生物芯片技术横跨生命、信息、物理、化学等研究领域 ，是当 今LPL界尖端技术领域中高度综合、交叉的研究热点。它的发展不但会极大地促进 匕述 各领域的技术进步和产品更新 ，而且会极大地提高应用领域的研究水平和产业化进 程 ，进而对人类生活的许多方面产生深远的影响。美国总统克林顿在 1998年1月的 演讲中曾指出:“在未来的十二年内，基因芯片将为我们一生中的疾病预防指点迷津o，’ 一、生物芯片的分类 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 基因芯片检测转基因植物方法学的建立 生物芯片的范围很广，分类的标准也有很多。按片基可分为无机片基和有机合 成物片基:无机片基主要包括半导体硅片、塑料和玻璃片;有机合成物片基主要包 括特定孔径的滤膜，如硝酸纤维膜、尼龙膜、聚偏二氟乙烯膜。目前，玻片材料因易 得、荧光背景低、应用方便等优点在国际上被广泛接受。按功能和用途不同可分为 诊断芯片、测序芯片、表达谱芯片和基因差异表达分析芯片等。根据芯片点样方式 不同，义可分为原位合成芯片、微矩阵芯片(分喷点和针点)和电定位芯片三类。 通常的分类方法是将生物芯片分为两大类:信息型生物芯片一微阵列芯片 (MicroarrayChip)和功能型生物芯片一微流控芯片(MicrofluidicChip)或芯片实 验室(lab-on-chip)。日前微阵列芯片技术相对较成熟，通常的基因(DNA)芯片、 蛋自质芯片、细胞芯片、组织芯片等属于微阵列芯片。微阵列芯片通常是采用点样 机或原位合成方法将高密度探针阵列以一定的顺序或排列方式固定在如玻璃片等 固相载体表面，借助生物分子相互作用原理，进行大量生物组分的分析。芯片实验室 (Labonchip)是生物芯片一技术发展的最高阶段。它将纳米技术引入生物芯片， 利用光刻技术和微加工技术在固体基片表面构建微流体分析单元和系统，实现了对 样品制备、摹因扩增、核酸标记及检测等生物分析过程的自动化、连续化和微缩化， 使过去 一个实验的各个实验步骤，微缩于一个芯片上，是高度集成化的、便携式生 物分析系统。这类芯片包含有PCR芯片、阵列毛细管电泳芯片、主动式电磁生物芯 片等。 基因芯片(Genechip)又称DNA芯片(DNAchip)，或DNA阵列(DNA array,DNA microarray)是生物芯片中最基础、研究开发最早、最为成熟和目前应用最广泛的产 品。是将大量探针分子固定于支持物上，根据碱基互补配对原理，与