生物芯片技術及其在環(huán)境科學方面的應用

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1、生物芯片技術及其在環(huán)境科學方面的應用 摘要：生物芯片技術是20世紀以來發(fā)展迅速且引人矚目的一個前沿領域。本文主要介紹了生物芯片技術在環(huán)境化學、環(huán)境微生物檢測以及環(huán)境醫(yī)學領域中的應用。并對生物芯片在環(huán)境領域的應用前景做出了展望。 關鍵詞：生物芯片; 環(huán)境科學; 生物芯片（biochip）技術是20世紀90年代初期發(fā)展起來的一個新興的領域，自從1991年Fodor等提出DNA芯片的概念后，近年來以DNA芯片為代表的生物芯片技術得到了迅猛發(fā)展。生物芯片是融微電子學、生物學、物理學、化學、計算機科學為一體的高度交叉的新技術，其概念源于計算機芯片。它主要是指通過微加工和微電子技術在固體基質表面構

2、建微型生物化學分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對生命機體的組織、細胞、蛋白質、核酸、糖類及其它生物組分進行準確、快速、高通量的檢測。生物芯片技術的本質特征是利用微電子、微機械、化學、物理及計算機，將生命科學研究中的樣品檢測、分析過程實現(xiàn)連續(xù)化、集成化、微型化。芯片上集成了成千上萬密集排列的分子微陣列或分析元件，能夠在短時間內分析大量的生物分子，快速準確的獲取樣品中的生物信息，檢測效率是傳統(tǒng)檢測手段的成百上千倍。該技術被評為1998年度世界十大科技進展之一。目前，生物芯片已在環(huán)境微生物檢測、環(huán)境化學及環(huán)境醫(yī)學等研究方向重顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。 一、生物芯片的分類及其原理 常見的生物芯片主要分為三大類：即基因芯片

3、、蛋白質芯片、芯片實驗室。 1.基因芯片（Gene chip）基因芯片又稱DNA芯片（DNA chip）。）。最初的生物芯片主要用于基因測序、基因表達圖譜的鑒定和基因突變的分析與檢測，而且隨著人類基因組計劃的逐步實施以及分子生物學的迅猛發(fā)展，基因芯片己成為生物芯片中最重要的一類?；蛐酒窃诨蛱结樀幕A上研制出的，所謂基因探針只是一段人工合成的堿基序列，在探針上連接一些可檢測的物質，根據(jù)堿基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。它將大量探針分子固定于支持物上，然后與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號的強度及分布來進行分析。 2蛋白質芯片（Protein Chip）蛋白質芯

4、片與基因芯片的基本原理相同，但它利　用的不是堿基配對原理而是抗體與抗原結合的特異性即免疫反應來檢測。蛋白質芯片構建的簡化模型為：選擇一種固相載體能夠牢固地結合蛋白質分子（抗原或抗體），這樣形成蛋白質的微陣列，即蛋白質芯片。蛋白質芯片的檢測原理類似于抗原、抗體檢測的　ELIS法，如采用雙抗夾心的形式，通過機械點涂的方法，將多種不同的單克隆抗體點樣固定在固相介質表面（一般是膜介質）上，制備抗體蛋白芯片，并與多種抗原樣本雜交，使芯片上的抗體捕獲相應的抗原。然后再與標記的多種不同的抗體雜交，由于蛋白抗原上的多價結合表位可結合標記抗體，根據(jù)雜交信號的有無、多少便能進行定性、定量的分析。 3芯片實驗室（

5、LAB—on—a—chip）芯片實驗室是生物芯片研究領域的一個熱點，它是將傳統(tǒng)的樣品制備、生化反應、數(shù)據(jù)檢測三個步驟集成于一體，縮小構成芯片上的實驗室系統(tǒng)，是生物芯片發(fā)展的最高階段。要實現(xiàn)這一目標生物芯片必須以微電流平臺作為支撐，只有把樣品制備、分析和信號獲得連為整體，才能開發(fā)出生物芯片應用的最大潛力。目前，利用芯片縮微實驗室已成功地將樣品分離、DNA提取、PCR反應、DNA雜交檢測這幾個離散步驟在一個或幾個芯片構成的密閉系統(tǒng)中完成。由于芯片可以做成十分微小的形狀，所以便于攜帶，檢測分析所需樣品少，節(jié)約了大量試劑和人工。同時芯片可以　進行大規(guī)模生產，成本可以降到很低，用于各種分析　的芯片就可以

6、做成一次性使用，避免了樣品污染和交叉污染。芯片實驗室是未來生物芯片的發(fā)展方向。 二、生物芯片在環(huán)境科學研究中的應用 生物芯片是近幾年發(fā)展起來的一個新興和熱點領域，在國外研究和應用較多，我國在此方面的研究尚處于起步階段，且主要應用于醫(yī)藥領域，在環(huán)境科學領域的應用和研究較少。但其高通量、檢測快的特點，使其在環(huán)境領域有著廣泛的應用前景?，F(xiàn)今，生物芯片已在環(huán)境化學、環(huán)境生物學、環(huán)境毒理學、環(huán)境醫(yī)學及分子生態(tài)學等研究領域中有了應用實例。 1、生物芯片在環(huán)境化學中應用 生物芯片在環(huán)境化學中的一個重要應用領域是分析和監(jiān)測環(huán)境中的污染物。環(huán)境化學污染物主要包括有機化學性污染物和無機污染物。生物芯片設計

7、集成化，從而簡化了分析過程，使檢測速度加快，因此在環(huán)境監(jiān)測中有很好的應用和發(fā)展前景。目前，在環(huán)境化學領域中得到應用的有毛細管電泳芯片、微反應芯片等。Wang等將毛細管電泳芯片與厚膜電流檢測器集成在一起（緩沖液為MES(20mol/L， PH＝5.0），分離管道長度為72mm，分離電壓為2000V）。使用此方法，　可在140S內從摻入有機磷神經毒物的河水中分離檢測出磷、甲基對硫磷、殺螟硫磷和乙基對硫磷。這些結果顯示毛細管電泳芯片有可用于現(xiàn)場檢測的快速檢　查。Backer等［6JN用基于氧化錫的微反應芯片實現(xiàn)了對空氣中CO、NO和NO2氣體的測量。 2、生物芯片在環(huán)境微生物檢測方面中的應用

8、微生物廣泛存在于環(huán)境中，其密度及多樣性是反應環(huán)境質量的重要指標之一，因此，對環(huán)境微生物進行檢測具有十分重要的意義。隨著分子生物學的不斷發(fā)展，人們可以在分子水平上構建細菌的進化樹并以此為依據(jù)對其進行分類?；蚪M水平的DNA雜交技術成為菌種鑒定的里程碑，利用16SrRNA的高度保守性，人們可以通過6SrRNA的序列分析來對細菌進行分類。通過該方法研究環(huán)境中微生物的組成、數(shù)量及其變化，可以了解生物群落的結構與其功能及生物地球化學活動的關系。Guschin等利用寡核苷酸微陣列芯片對硝化細菌進行了分類，芯片上固化的寡核苷酸與16SrRNA序列完全互補，并通過改變探針的微陣濃度和多顏色檢測來進行定量分析。

9、2008年，Victor Parror等利用包含200個抗體的微陣列生物芯片，并結合免疫解析的方法尋找通用微生物標記物以進行環(huán)境檢測，其檢測限為:0.2ng/ml蛋白質和104—105個細胞/ml，并成功地在全球范圍內極端環(huán)境樣品中檢測到了生物大分子物質。 3、生物芯片在環(huán)境醫(yī)學中的應用　 環(huán)境醫(yī)學是研究環(huán)境與人群健康的關系，特別是研究環(huán)境污染對人群健康的有害影響及其預防的一門科學。如今，生物芯片技術已在環(huán)境流行病學、職業(yè)病研究和環(huán)境醫(yī)學監(jiān)測等領域得到了應用。 ①應用于環(huán)境流行病學： 周琦等以SARS冠狀病毒TOR2株序列為設計標準，研制出用于檢測SARS病毒的全基因芯片，芯片探針長度為

10、70nt，相鄰探針序列重復25nt，共660條病毒探針，覆蓋了SARS冠狀病毒的全部序列，應用該基因芯片對病人、出人境食品、動植物及其產品進行檢測，結果表明基因芯片技術檢測SARS冠狀病毒靈敏度　高、特異性強，而且準確、快速。吳海等以HBV、HVC高度保守的片段為探針成功制作了乙、丙型肝炎病毒雙檢基因芯片，可望應用于臨床。趙偉等PCR產物用點樣儀點于玻片介質上，制成芯片，檢測４０例乙肝患者血清的乙肝病毒，準確率達８０％ ②用于對公害病和職業(yè)病的研究:NIEHs已經開始環(huán)境基因組目標的研究以確定包括在環(huán)境疾病中的200個基因共同的序列多態(tài)性。NIEHs對暴露到PAHs和其他污染物環(huán)境中的波蘭煤

11、炭爐工人的血液、淋巴系統(tǒng)基因表達進行了研究。這種研究一個重要的考慮是基因表達可以被其他因素影響，如食物、健康狀況、個人習慣等，減少這些因素的影響必須完成大量處理樣品與對照樣品的比較。一個新的領域基因毒理學正在發(fā)展起來，研究基因差異與毒物易感性的關系，在人類對疾病易感性個體變化的認識上基因毒理學將產生巨大推動作用 ③應用于環(huán)境醫(yī)學監(jiān)測: 孟紫強等探討了SO的分子毒作用機制，通過采用Affmetrix公司的大鼠基因表達譜芯片（RAE230A）研究了短期動態(tài)吸人SO的大鼠肺組織基因表達譜的變化，并揭示了高濃度SO短期暴露對基因表達的影響。楊磊等用基因芯片分析急慢性砷染毒時人正常肝細胞（Ｌ--02細

12、胞）基因表達譜的變化，得出了長期染砷后與腫瘤發(fā)生及氧化還原有關的基因表達量升高的結。 三、環(huán)境芯片的在環(huán)境科學領域應用前景展望 生物芯片技術是21世紀的朝陽產業(yè)，有很好的發(fā)展前景。它克服了傳統(tǒng)生物學技術操作繁雜、自動化程度低，檢測效率低等不足，充分利用了生物科學、信息學等當今前沿領域的研究成果，現(xiàn)在已越來越廣泛的被應用到多個領域中。環(huán)境科學研究的主要是環(huán)境中的物質，尤其是人類活動產生的污染物，及其在環(huán)境中的產生、遷移轉變、歸宿等過程和運動規(guī)律，因此，將生物芯片技術引入環(huán)境科學研究中有重大意義。生物芯片高信息量、快速、微型化、自動化、成本低、污染少、用途廣等優(yōu)點，很適應環(huán)境學研究中的技術需求，使其在環(huán)境科學領域有很好的應用前景。雖然生物芯片技術在環(huán)境領域的應用實例還較少，且其自身還有許多問題亟待解決（如提高芯片的特異性、簡化樣品制備和標記操作程序、增加信號檢測的靈敏度等等），但隨著技術的發(fā)展與完善，生物芯片技術必將會越來越廣泛的應用到環(huán)境科學研究的各個領域，給２１世紀人類對環(huán)境的保護和治理帶來一場“革命”。 ［參考文獻］ ［1］ 陳忠斌．（生物芯片技術）．北京：化學工業(yè)出版社，2005 ［2］ 李瑤．（基因芯片技術——解碼生命），化學工業(yè)出版社，2004 ［3］ 曲媛媛/魏利.(微生物非培養(yǎng)技術原理與應用)，科學出版社，2009