华东理工大学 《酶工程》讲义 体分析单元和系统,使之连续化、集成化、微型化 (三)生物芯片技术主要包括四个基本要点 1.芯片方阵的构建:芯片制备,先将玻璃片或硅片进行表面处理,然后使DNA片段或 蛋白质分子按顺序排列在片芯上。 2.样品的制备:生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体,除少数特殊样品外, 般不能直接与芯片反应。可将样品进行生物处理,获取其中的蛋白质或DNA、RNA,并且加 以标记,以提高检测的灵敏度。 3.生物分子反应:生物分子反应,芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键 步。通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中,减少生物分子之间的错配 比率 4.信号的检测:芯片信号检测,常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中 通过扫描以获得有关生物信息 (四)生物芯片的主要类型 生物芯片技术是一种高通量检测技术,它包括基因芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领 1.基因芯片( Genechip)又称DNA芯片( DNAChip)。它是在基因探针的基础上研制出的, 所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列,在探针上连接一些可检测的物质,根据碱基互 补的原理,利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针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度及分布来进行分析 基因芯片是生物芯片研究中,最先实现商品化的产品。目前,比较成熟的产品有检测基 因突变的芯片,检测细胞基因表达水平的表达基因芯片。 2.蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同,但它利用的不是碱基配对而是抗体与抗原 结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为:选择一种固相载体能够牢 固地结合蛋白质分子(抗原或抗体),这样形成蛋白质的微阵列,即蛋白质芯片。如果加入 与之特异性反应的带有特殊标记的蛋白质分子(抗体或抗原),两者结合后,通过对标记物 的检测来实现抗原抗体的互检,即蛋白质的检测。此种方法构建的模型所需蛋白质的量极少 反应相对较快,蛋白质芯片稳定性较好,灵敏度较高,在临床检测方面大有发展 3.芯片实验室为高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体的便携 式生物分析系统,它最终的目的是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成,从而使 现有的许多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩 化,属未来生物芯片的发展方向 、生物芯片的应用前景展望 生物芯片的成熟和应用一方面将为下个世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、分子生物学、 航空航天、司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域带来一场革命:另一方面生物芯片的出现 为人类提供了能够对个体生物信息进行高速、并行采集和分析的强有力的技术手段,故必将 成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台。 (一)基因芯片 它以其可同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息的本领而显示出了巨大的威力。 这些应用主要包括基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变和多态性分析以及基因 文库作图以及等方面。 1.表达检测。人类基因组编码大约10万个不同的基因,仅掌握基因序列信息资料,要 理解其基因功能是远远不够的,因此,具有监测大量mRNA(信使RNA,可简单理解为基因表 达的中介物)的实验工具很重要。有关对芯片技术检测基因表达及其敏感性、特异性进行的 研究实验表明芯片技术易于监测非常大量的 mRNAs并能敏感地反映基因表达中的微小变化华东理工大学 《酶工程》讲义 2 体分析单元和系统，使之连续化、集成化、微型化。 （三）生物芯片技术主要包括四个基本要点 ⒈ 芯片方阵的构建：芯片制备，先将玻璃片或硅片进行表面处理，然后使 DNA 片段或 蛋白质分子按顺序排列在片芯上。 ⒉ 样品的制备：生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一 般不能直接与芯片反应。可将样品进行生物处理，获取其中的蛋白质或 DNA、RNA，并且加 以标记，以提高检测的灵敏度。 ⒊ 生物分子反应：生物分子反应，芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一 步。通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配 比率。 ⒋ 信号的检测：芯片信号检测，常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中， 通过扫描以获得有关生物信息。 （四）生物芯片的主要类型 生物芯片技术是一种高通量检测技术，它包括基因芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领 域。 ⒈ 基因芯片(Genechip)又称 DNA 芯片（DNAChip）。它是在基因探针的基础上研制出的， 所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互 补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针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度及分布来进行分析。 基因芯片是生物芯片研究中，最先实现商品化的产品。目前，比较成熟的产品有检测基 因突变的芯片，检测细胞基因表达水平的表达基因芯片。 ⒉ 蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同，但它利用的不是碱基配对而是抗体与抗原 结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为：选择一种固相载体能够牢 固地结合蛋白质分子（抗原或抗体），这样形成蛋白质的微阵列，即蛋白质芯片。如果加入 与之特异性反应的带有特殊标记的蛋白质分子（抗体或抗原），两者结合后，通过对标记物 的检测来实现抗原抗体的互检，即蛋白质的检测。此种方法构建的模型所需蛋白质的量极少， 反应相对较快，蛋白质芯片稳定性较好，灵敏度较高，在临床检测方面大有发展。 ⒊ 芯片实验室为高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体的便携 式生物分析系统，它最终的目的是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成，从而使 现有的许多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩 化，属未来生物芯片的发展方向。 二、生物芯片的应用前景展望 生物芯片的成熟和应用一方面将为下个世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、分子生物学、 航空航天、司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域带来一场革命；另一方面生物芯片的出现 为人类提供了能够对个体生物信息进行高速、并行采集和分析的强有力的技术手段，故必将 成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台。 （一）基因芯片 它以其可同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息的本领而显示出了巨大的威力。 这些应用主要包括基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变和多态性分析以及基因 文库作图以及等方面。 ⒈ 表达检测。人类基因组编码大约 10 万个不同的基因，仅掌握基因序列信息资料，要 理解其基因功能是远远不够的，因此，具有监测大量 mRNA（信使 RNA，可简单理解为基因表 达的中介物）的实验工具很重要。有关对芯片技术检测基因表达及其敏感性、特异性进行的 研究实验表明芯片技术易于监测非常大量的 mRNAs 并能敏感地反映基因表达中的微小变化