生物芯片

当今社会已进入信息时代，很多家庭装上了电脑，人们了解世间的各种信息真是越来越方便了。这是从20世纪70年代，大规模集成电路电子芯片的发明引发的一场计算机革命开始的。先进的微电子技术把庞大的、复杂的计算机变成了具有高性能的个人电脑。目前，家庭电脑已进入了千家万户，在人们生活中发挥着巨大作用。

到了20世纪90年代以基因芯片（也叫DNA芯片）为代表的生物芯片的发明，将复杂的生物学实验系统集成到微小芯片上，使复杂繁琐的生物学实验能够在一个指甲盖大小的芯片上进行。生物芯片技术将生命科学研究中所涉及的许多不连续的分析过程，如样品的制备、化学反应过程和分析检测等，通过采用微电子、微机械等工艺集成到芯片中，使之连续化、集成化和微型化操作，并能够进行批量生产，实现生命信息检测分析的自动化。这一新技术的成熟和应用将在21世纪里给遗传研究、疾病的诊断和治疗、新药的发现和环境保护等领域带来一场革命。

在前面我们已提到，任何一种生物都是在遗传信息控制下生长发育的，生物体通过复制、解读遗传信息和执行遗传指令形成特定的生命活动。从信息学的角度来看，DNA分子是生命信息的载体，遗传信息存储在A、T、G、C这4个字符所组成的DNA序列中。蛋白质分子是遗传信息表达的产物，是构成生命机器的基本元件，大量类型不同、功能各异的蛋白质分子协同工作，保证生命机器的正常运转。因此，认识生命现象，掌握生命活动规律的前提是了解和分析生物大分子，研究生物分子信息与生命活动的关系。生物芯片对完成这项任务起着十分重要的作用。

基因芯片检测原理图

那么，什么是生物芯片？它是如何发挥作用的呢？

生物芯片是以生物大分子（蛋白质和核酸）为主要材料制成的生物集成电路。经研究发现，蛋白质和核酸等生物大分子都具有像半导体那样的光电转换功能和开关功能。例如，蛋白质分子具有低阻抗、低能耗的性质，不存在散热问题，它的三维立体排列使它具有较高的存贮容量。在生物芯片中，信息是以波的形式传递。当波束沿着蛋白质分子链传播时，会引起蛋白质分子链中单链、双链结构顺序发生改变。因而，当一束波传播到分子链的某一部位时，就能像集成电路中的载流子那样传递信息。

制作生物芯片是运用微电子技术和生物分子的自组装技术，将一块微小芯片划分为成千上万个单元，并在每个单元的位置上组装不同的DNA、蛋白质或其他相关生物分子，从而形成生物分子的微列阵。这好像古代时候两军对垒，摆的八卦阵一样，其中有一定的阵势，摆布一些将领和士兵，在一定的位置上把守阵脚。所不同的是生物芯片是多维的立体陈列，像现代战争那样，海、陆、空三军立体作战。生物芯片利用生物分子的识别或生物分子相互作用原理，实现对生命相关信息的大规模并行检测。分子识别是生物体内分子相互作用的一种基本现象。如两条DNA单链根据碱基互补原则，相互缠绕，可以形成双链复合体；还有抗体和抗原可以产生特异性结合等等。在生命体系中信息的阅读、储存、复制、转录和翻译均通过分子识别的规则来进行，对于核酸，可通过碱基互补配对识别一个核酸分子的序列。芯片上每一种生物分子的作用相当于一种特殊的探针，用于检测特定的生物分子信息。假设生物芯片某单元上有一个DNA探针，它与待检测的样品进行杂交，如果杂交实验结束后，该探针显示杂交信号，则表示在样品中存在一段与探针互补的DNA序列。通过一个探针我们可以得到样品的部分信息，如果使用大量的相关探针就可以得到样品的全部信息。

人体基因芯片

为什么把生物芯片叫做“芯片”呢？其原因有2：一是因为芯片的每个单元有信息提取和信息转化的功能，类似半导体芯片；二是因为生物芯片采用与半导体芯片相似的制造技术，具有微型化、集成化的特点。

生物芯片有多种类型，其中基因芯片是目前研究最多、应用最广泛的一种。基因芯片实际上是由大量DNA探针所组成的微列阵，通过核酸杂交检测信息，我们可以在基因芯片上用多个探针分析一段DNA序列；我们也可以用一个探针检测样品中是否会有特定的核酸序列。

利用基因芯片可以进行基因分析。同一种生物，其基因组从整体上来说是基本一致的，约有99．9%的基因组序列相同，然而正是由于0．1%序列的差别，才导致了个体与个体表型的差别。像我们人类，不同的民族、不同个体都有46条染色体，都有相同的基因数目和分布，也有基本相同的核苷酸序列。然而人类基因组又是一个变异的群体，在长期进化的过程中，基因组DNA序列不断地发生变异，从而导致了不同种族、群体和个体基因组间的差异或多态性。除了同卵双生子以外，没有两个个体的基因组是完全相同的。DNA序列的变化是生物种群之间差异的根本原因，也是影响生物体正常状态和疾病状态的关键因素。黑人与白人的差别、高个与矮个的差别、健康人与遗传病人的差别等等都是由于个体基因组存在着差异。人类基因组计划所得到的仅仅是某一些人的基因组，当人类基因组测序计划完成以后，人们便会逐步关注不同人群、正常与疾病状态下DNA序列的变化。对这些基因型差异进行定位、识别以及分类有着重大意义，这是有针对性地预防和治疗疾病的基础，也是对个人遗传特征识别的依据。

利用基因芯片可以检查每个人DNA的特异性，根据基因的情况建立个人健康档案。可能在5～10年之后，每个人都可以用一小块基因芯片便捷、准确地了解自己的全部基因的缺陷。人们将知道自己或自己的儿女一生中肯定会得什么病，可能比别人更容易得什么病。他将知道10年或20年后他的健康状况。这样，人们可以及早防治各种疾病，预防衰老，延长寿命。

利用基因芯片还可以测定未知的DNA序列。美国一些公司研制成功了一种快速破译人类基因图谱的新技术，其速度约为目前技术的1000倍。原来，这些公司的科学家们使用的是“基因芯片”的微型装置，在芯片上可以用6万多种探针同时进行分子杂交。这样将人的几滴DNA样品置于芯片上，就能对其中所含的基因序列进行全面“阅读”，从而极大地提高了破译的效率。