DNA芯片

最近, 在后基因组时代纷繁的信息中, 生物芯片看起来成了最重要的研究工具之一. 生物芯片与电子工程学中的硅半导体芯片非常相似. 高密度小尺寸的DNA和蛋白质芯片被用来筛选生物信息, 以便于更快更好的研究.

纳米基因芯片
DNA芯片是现代芯片技术中最成功的案例. DNA技术使用了DNA双螺旋链中A-T和G-C这样的Watson-Crick对的的典型的性质以及对互补序列识别的性质. 换句话说, DNA芯片上的单链被当作诱饵, 而当 加入DNA试样时候, 只有其互补链与之成键. DNA芯片能包含数千到数十万种DNA诱饵, 这样就可以筛选任意数量的DNA样品. 因此审查的速度是令人惊异的. 因为在一枚芯片上的DNA诱饵的序列都已知, 重要的是找出要筛选的DNA与哪一位置结合. 为检测诱饵-样品DNA成键的数量, 通常样品DNA被涂以萤光染料然后扫描机读取芯片上的荧光强度. 强荧光度意味着样品中有许多互补DNA链与诱饵DNA链成键. 现在正在发展高灵敏度的电子筛选法, 但是还没有制造出来.

有二个方法可以植入DNA芯片上的诱饵: 一是使用化学合成(照相平版术)逐步累积单个低聚物, 另一是在芯片上(多针排列)点现成的样品. 现在, Affimetrix作为领先的DNA芯片公司, 已使用制造计算机半导体芯片相同的技术. 他们使用光敏掩膜和光来选择性的在硅板上显露反应位点, 然后附上核酸. 因为核酸由A, T, C和G组成, 需要四套掩膜和四次反应. 现在可购得的 affiy芯片包含25个核酸, 这需要100个掩膜和反应. 一种新的芯片布满光活性罩, 当光选择性的通过掩膜时, 反应物基团被暴露于光线之下然后与下面的个体反应. Affimetrix正在生产酵母, 人, 小鼠和其他的DNA芯片, 而且这些被用于一次测量所有的基因表达. 但是, 普通的基因由数以千计的碱基组成, 使用只有25个碱基的低聚物有试样是否具有代表性的问题. 因此, Affimetrix 制造每个基因含20碱基的芯片(每个低聚物是25-mer), 而且判断相关基因的表达要经过一个统计过程以确保达到足够的DNA序列量. 这样, 样品DNA需要剪切到与诱饵DNA体积相当.

Affiy芯片

尽管照相平版术是芯片合成的代表性方法, 它对芯片密度和光衍射的限制饱受批评. 1999年九月期的Nature Biotechnology上, 威斯康辛大学Madison分校的Michael Sussman博士团队的科学家引入了一个不要掩膜而使用数码照相处理器的合成方法. 他们使用小的矾土来激发光以代替掩膜, 他们的方法使本来需要的几周时间缩短到8个小时, 大大降低了芯片成本. 新技术当经由威斯康辛校友研究基金取得专利权, NimbleGen Systems系统正在购买这项技术.

<http://www.devicelink.com/ivdt/archive/98/09/009.html>

在斯坦福大学的Patric Brown发明了多针矩阵方法. DNA诱饵探头通过PCR等生物技术被合成, 然后点到微型玻璃芯片上. 除了对于实验重现性的批评, 只要有DNA诱饵探头, 这种方法就较合成芯片有更具竞争力的价格. 现在任何人都可以容易地制造芯片. 因为诱饵DNA是生物制得的, 不像Affy芯片, DNA长度没有任何限制. 甚至数百个碱基的构成的DNA也能制得, 这个优点使得较诱饵-样品成键法有更高的选择性.

多针矩阵

现在许多芯片正在使用cDNA诱饵. 从特定条件下的细胞得来的mRNA被取出, 经过几步处理后, 人们研究它们是何种基因, 在给定条件下有多少被表达.当mRNA的量不足的时候, RT-PCR及体外传递方法可以用来倍增它. 得到数据和样品较探测蛋白质表达数量要简单, 这是一大优点, 可是也有批评指出mRNA的量得变化并不精确表明蛋白质数量的变化. 换句话说, 某蛋白质表达细胞的尝试能通过mRNA的量发现, 但是否真正制得了蛋白质无法核对. 有道理. 事实上mRNA的量和蛋白质没有很多的相互关系(比0.5低). 因为mRNA和蛋白质的分解速率不同, 而且蛋白质经过一系列反应(例如磷酸化作用), 不能说 一个mRNA制得一个蛋白质. 如果总的DNA被称作基因组, 总的蛋白质称作蛋白质组, 那么DNA芯片的研究就可以被称为转录组(transriptome), 因为这其中使用了mRNA.

除此之外, 因为每个基因的转录mRNA量是不同的, 如果没有标准就很难将来自不同细胞或系统的mRNA的量相比较. 因此, 通过控制实验条件的mRNA相对量的变化以及真实实验下的量非常重要. 例如, 可以说,"当对细胞突然加热时, 与基因A相关的mRNA增加了2.5倍. 所以, 至少需要两个实验, 控制条件的和真实的. 对于现在用的 Affiy芯片, mRNA被取出, cDNA被逆转录, 而且样品的量由于体外转录制得的cRNA而倍增. 在转录步骤中, 因为维生素H被加到一些U或T上, 而且使用萤光streptavidin检测, 每个芯片应该单独用于每个试样, 然后比较. 另一方面, 最近有为基因组, SNP还有mRNA 分析而制造的DNA芯片.

<http://www.iir.suite.dk/IIR/Genes/geneChipDK.htm>

然而, 在布朗法中, 试样是用不同荧光染料染色了的 (Cy3