第七章生物芯片 本章提要：生物芯片被誉为20世纪生物学最 重大发明技术之一。本章首先对生物芯片作了 简要介绍，然后从生物芯片的分类、基本原理 、应用和数据的处理与分析几个角度学习生物 芯片有关的基本知识。 2025/5/27 BIOINFORMATICS
第七章 生物芯片 2025/5/27 BIOINFORMATICS 1 本章提要：生物芯片被誉为20世纪生物学最 重大发明技术之一。本章首先对生物芯片作了 简要介绍，然后从生物芯片的分类、基本原理 、应用和数据的处理与分析几个角度学习生物 芯片有关的基本知识
§7.1生物芯片简介 生物芯片(Biochip) 又称微阵列 (microarray)。这一名词是20世纪80年代初提出 来的，美国海军实验室Carter等科学家试图把 有机功能分子或生物活性分子进行组装，构建 微功能单元，实现信息的获取、储存、处理和 传输功能。真正的生物芯片出现于20世纪90年 代，DNA微阵列技术自1995年诞生之时，就被 预言为具有划时代意义的技术，将从根本上改 理与生物 变生物科技的面貌。 程 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 2 §7.1生物芯片简介 生 物 芯 片 (Biochip) 又 称 微 阵 列 (microarray)。这一名词是20世纪80年代初提出 来的，美国海军实验室Carter等科学家试图把 有机功能分子或生物活性分子进行组装，构建 微功能单元，实现信息的获取、储存、处理和 传输功能。真正的生物芯片出现于20世纪90年 代，DNA微阵列技术自1995年诞生之时，就被 预言为具有划时代意义的技术，将从根本上改 变生物科技的面貌
生物芯片将生命科学研究中所涉及 的不连续的分析过程（如样品制备、化学 反应和分析测试)，利用微电子、微机械、 化学、物理技术、计算机技术在固体芯片 表面构建的微流体分析单元和系统，使之 集成化、微型化。 数理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 3 生物芯片将生命科学研究中所涉及 的不连续的分析过程（如样品制备、化学 反应和分析测试），利用微电子、微机械、 化学、物理技术、计算机技术在固体芯片 表面构建的微流体分析单元和系统，使之 集成化、微型化
生物芯片主要是指采用光导原位合成或 微量点样等技术，将大量生物分子如核酸片 断、多肽片断、组织切片、细胞等有序地固 定于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺、 尼龙膜等)的表面，组成密集、有序的二维 分子阵列，然后与已标记的待测生物样品中 靶分子杂交，通过特定的仪器如激光共聚焦 理与生 扫描或电荷偶联摄像机(CCD)对杂交信 号的强度进行快速、并行、高效的检测分析， 程 从而判断样品中靶分子的数量。 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 4 生物芯片主要是指采用光导原位合成或 微量点样等技术，将大量生物分子如核酸片 断、多肽片断、组织切片、细胞等有序地固 定于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺、 尼龙膜等）的表面，组成密集、有序的二维 分子阵列，然后与已标记的待测生物样品中 靶分子杂交，通过特定的仪器如激光共聚焦 扫描或电荷偶联摄像机（CCD）对杂交信 号的强度进行快速、并行、高效的检测分析， 从而判断样品中靶分子的数量
微阵列的主要应用在于对基因表达问 题的研究，特别是在人类基因组和其它生 物基因组计划完成之后，我们需要从全基 因组水平定量或定性检测转录产物mRNA。 基因表达数据与基因组数据相比，更为复 杂，数据量更大，数据的增长更快。基因 表达数据中包含着基因活动的信息，可以 反映细胞当前的生理状态。 数理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 5 微阵列的主要应用在于对基因表达问 题的研究，特别是在人类基因组和其它生 物基因组计划完成之后，我们需要从全基 因组水平定量或定性检测转录产物mRNA。 基因表达数据与基因组数据相比，更为复 杂，数据量更大，数据的增长更快。基因 表达数据中包含着基因活动的信息，可以 反映细胞当前的生理状态
通过对该数据矩阵的分析，可以回答 一系列的生物学问题：基因的功能是什么？ 在不同条件或不同细胞类型中，哪些基因 的表达存在差异？在特定条件下，哪些基 因的表达发生了显著变化，这些基因受到 哪些基因的调节，或控制哪些基因的表达？ 理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 6
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 6 通过对该数据矩阵的分析，可以回答 一系列的生物学问题：基因的功能是什么？ 在不同条件或不同细胞类型中，哪些基因 的表达存在差异？在特定条件下，哪些基 因的表达发生了显著变化，这些基因受到 哪些基因的调节，或控制哪些基因的表达？
微阵列广泛应用的另一个重要原因是为 了理解基因网络(network)或通路 (pathway)。传统的分子生物学方法针对 “一个基因一个实验”的设计思路，其通量 极为有限，同时也无法获得基因功能的整体 框架。 数理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 7 微阵列广泛应用的另一个重要原因是为 了理解基因网络 （ network ） 或通路 （pathway）。传统的分子生物学方法针对 “一个基因一个实验”的设计思路，其通量 极为有限，同时也无法获得基因功能的整体 框架
例如，传统方法研究基因之间相互作 用关系的方法之一是通过“基因敲除”技 术来实现，只能在很小规模上观测对相同 或不同组织中对其它基因表达的影响，而 微阵列可以在单一芯片上同时监测整个基 因组的变化，因而可以同时理解成千上万 个基因之间的相互作用，对整个表达谱有 理与生物 一全面理解。 工程 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 8
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 8 例如，传统方法研究基因之间相互作 用关系的方法之一是通过“基因敲除”技 术来实现，只能在很小规模上观测对相同 或不同组织中对其它基因表达的影响，而 微阵列可以在单一芯片上同时监测整个基 因组的变化，因而可以同时理解成千上万 个基因之间的相互作用，对整个表达谱有 一全面理解
生物芯片会对21世纪的生命科学和医学 的发展产生巨大的影响，可以大大促进后基 因组计划的各项研究。通过比较不同个体或 物种之间以及同一个体在不同生长发育阶段， 正常和疾病状态下基因转录及其表达的差异， 寻找和发现新基因，研究它们在生物体发育、 遗传、进化等过程中的功能。 理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 9
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 9 生物芯片会对21世纪的生命科学和医学 的发展产生巨大的影响，可以大大促进后基 因组计划的各项研究。通过比较不同个体或 物种之间以及同一个体在不同生长发育阶段， 正常和疾病状态下基因转录及其表达的差异， 寻找和发现新基因，研究它们在生物体发育、 遗传、进化等过程中的功能
生物芯片还将在研究人类重大疾病如 癌症、心血管病等相关基因及其相互作用 机理方面发挥重要作用。在预防医学方面， 生物芯片可以使人们尽早认识自身潜在的 疾病，并实施有效的防治。 数理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 10
2025/5/27 BIOINFORMATICS 数 理 与 生 物 工 程 学 院 10 生物芯片还将在研究人类重大疾病如 癌症、心血管病等相关基因及其相互作用 机理方面发挥重要作用。在预防医学方面， 生物芯片可以使人们尽早认识自身潜在的 疾病，并实施有效的防治