生物芯片核酸序列测定的新技术[创新技巧]

【字体: 时间:2001年01月05日 来源:

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    人类基因组计划的目的是要建立人类基因组3×109个核苷酸序列的基因谱,破译人类全部遗传信息。这项计划的主要瓶颈是测序技术,目前的测序技术主要是Sanger法和Maxam-Gilbert法,高成本、低效率、低可靠性是这些传统测序方法的主要缺点。美国阿贡国家实验室和俄罗斯科学院恩格勒哈得分子生物学研究所的科学家于1994年在美国能源部、防御计划署、俄罗斯科学院和俄罗斯人类基因组计划1000多万美元的资助下,研制出一种生物芯片,并已用于检测β-地中海贫血病人备样的基困突变,筛选了一百多个β-地中海贫血已知的突变基因。这种生物芯片的基因译码速度比传统方法快1000倍。现在这种芯片为100美元/片,但将来只有1美元,甚至更低。因此,这种芯片被誉为快速价廉生物医学测试用的生物芯片。

    这种生物芯片包含了一个用凝胶套起来的1平方英寸的玻片,在这个玻片上有10000多个微凝胶。特殊机器人把6-9个碱基对(bp)长的DNA短链(寡核苷酸)固定在一个凝胶上,这个DNA短链即为传感器,其位置由机器人上的计算机精密确定。DNA短链就像由A、C、G、T四个DNA字母组成的“字”。对8个碱基对长DNA链的八聚体,有48=65536个可能的组合,每个传感器就是这65536个中的一个特定DNA字。

    用这种生物芯片进行DNA测序时,被测样品需先经过PCR扩增,限切酶剪切和荧光染料标记,然后将一小滴样本滴在生物芯片上,被测样本的DNA片段就与生物芯片上的互补寡核苷酸进行杂交。几个小时后,将生物芯片放到带有CCD照相机并连到计算机上的荧光显微镜上,记录每一个有荧光标记传感器的位置,指示出DNA片段结合到生物芯片上特殊寡核苷酸字的位置。计算机根据CCD上的荧光图案将其翻译成被测样本的DNA字。利用链的重叠部分,把DNA字连接成由基因构成的“句子”和“段落”,从而测出整个基因序列。这种生物芯片的发明人Mirzabekov说:“这种生物芯片可以一次读出整个基因的句子和段落,而不是字符和字”。因此,生物芯片可以一次完成DNA测序、遗传变异、基因表达、蛋白质相互作用和免疫应答的测试。

    这种生物芯片可以应用于许多领域。
1. 医疗诊断:鉴别引起癌症和AI-zheimer症突变基因、测试治疗艾滋病和结核病的抗药性、细菌和病毒的即刻鉴定。
2. 制药:加快药物开发,提高医学治疗水平。
3. 环境保护:在危险或险恶的场所中快速地检测微生物或采购物的污染,鉴别一些降解化学物和污染物的天然酶的基因。
4. 农业:检测农业病虫害,保护农作物。
5. 法律:识别飞机失事或其他事故遇难者及法医调查等。

    美国能源秘书Pena说它将诞生出一个数十亿美元的工业。Packard仪器公司总裁McKeman认为用这种商业生物芯片可以快速而又经济地完成基因分析,从而在很短的时间内开发出新药;可以提高农作物的耐久力、动物的孵育和疾病检测。Motorola公司、Packard仪器公司都认为制药公司是这种生物芯片首批用户,在以后的四到五年内大学和大的实验室会相继采用。Motorola公司和Packard仪器公司于1998年6月29日与阿贡实验室合作共同开发具有商业价值的生物芯片及其相关的分析技术。这两家公司共出资1900万美元,在今后的五年内完成产品的商业化和市场化,其中阿贡实验室和俄罗斯科学院恩格勒哈得分子生物学研究所投资19项专利,完成基础性研究。Motorola公司投资930万美元,完成生物芯片制造的开发,降低成本和提高产品质量;Packard仪器公司投资970万美元,完成生物芯片的仪器开发,以用于生物芯片的处理和分析。Motorola公司将用制造电子芯片的技术来制造生物芯片。Packard仪器公司制造的生物芯片仪器包括用于放置DNA样品的试剂的阵列器和用于分析样品的生物芯片图像器。阵列器和图像器的最初价格为7.5万美元和3万美元。

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