現代生命科學(xué)技術(shù)的論文基因芯片——“生物信息精靈”——淺談數學(xué)、計算機在現代生命科學(xué)研究中的作用二十世紀是物理科學(xué)的世紀，而二十一世紀則是生命科學(xué)的世紀。生命科學(xué)，尤其是生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，不僅與人類(lèi)健康，農業(yè)發(fā)展以及生存環(huán)境密切相關(guān)，而且還將對其它學(xué)科的發(fā)展起到促進(jìn)作用，所謂"今天的科學(xué)，明天的技術(shù)，后天的生產(chǎn)"。而生命科學(xué)的基礎性研究是現代生物技術(shù)的源泉、科學(xué)和技術(shù)創(chuàng )新的關(guān)鍵?，F代生物技術(shù)，是一門(mén)領(lǐng)導尖端科技的學(xué)科，正因如此，我很想知道它與數學(xué)——我得專(zhuān)業(yè)課，計算機等理論或技術(shù)是怎樣有機的聯(lián)系在一起的?；诖?，我利用課余時(shí)間查閱了許多網(wǎng)站、書(shū)籍，并有了小小的收獲?，F就“基因芯片”技術(shù)，淺談如下。一、基因芯片簡(jiǎn)介基因芯片，也叫DNA芯片，是在90年代中期發(fā)展出來(lái)的高科技產(chǎn)物?；蛐酒笮∪缰讣咨w一般，其基質(zhì)一般是經(jīng)過(guò)處理后的玻璃片。每個(gè)芯片的基面上都可劃分出數萬(wàn)至數百萬(wàn)個(gè)小區。在指定的小區內，可固定大量具有特定功能、長(cháng)約20個(gè)堿基序列的核酸分子（也叫分子探針）。由于被固定的分子探針在基質(zhì)上形成不同的探針陣列，利用分子雜交及平行處理原理，基因芯片可對遺傳物質(zhì)進(jìn)行分子檢測，因此可用于進(jìn)行基因研究、法醫鑒定、疾病檢測和藥物篩選等?；蛐酒夹g(shù)具有無(wú)可比擬的高效、快速和多參量特點(diǎn)，是在傳統的生物技術(shù)如檢測、雜交、分型和DNA測序技術(shù)等方面的一次重大創(chuàng )新和飛躍。二、基因芯片技術(shù)生物芯片技術(shù)是于90年代初期隨著(zhù)人類(lèi)基因組計劃的順利進(jìn)行而誕生，它是通過(guò)像集成電路制作過(guò)程中半導體光刻加工那樣的微縮技術(shù)，將現在生命科學(xué)研究中許多不連續的、離散的分析過(guò)程，如樣品制備、化學(xué)反應和定性、定量檢測等手段集成于指甲蓋大小的硅芯片或玻璃芯片上，使這些分析過(guò)程連續化和微型化。也就是說(shuō)將現在需要幾間實(shí)驗室、檢驗室完成的技術(shù)，制作成具有不同用途的便攜式生化分析儀，使生物學(xué)分析過(guò)程全自動(dòng)化，分析速度成千上萬(wàn)倍地提高，所需樣品及化學(xué)試劑成千上萬(wàn)倍地減少?？梢灶A見(jiàn)，在不遠的將來(lái)，用它制作的微縮分析儀將廣泛地應用于分子生物學(xué)、醫學(xué)基礎研究、臨床診斷治療、新藥開(kāi)發(fā)、司法鑒定、食品衛生監督、生物武器戰爭等領(lǐng)域。生物芯片技術(shù)是目前應用前景最好的DNA分析技術(shù)之一，分析對象可以是核酸、蛋白質(zhì)、細胞、組織等。目前全世界用生物芯片進(jìn)行疾病診斷還處于研究階段，國外已將其用于觀(guān)察癌基因及肌萎縮等一些遺傳病基因的表達和突變情況。生物芯片技術(shù)還可以用于治療，例如已開(kāi)發(fā)出在4平方毫米的芯片上布滿(mǎn)400根有藥物的針，定時(shí)定量為病人進(jìn)行藥物注射。另外，科學(xué)家還在考慮制作定時(shí)釋放胰島素治療糖尿病的生物芯片微泵及可以置入心臟的芯片起搏器等。生物芯片技術(shù)與組合化學(xué)相結合將開(kāi)辟另一個(gè)極有價(jià)值的應用方向，即為新藥研制提供超高通量篩選平臺技術(shù)，這必將使新藥研究開(kāi)發(fā)和傳統中藥的成分評估獲得重大突破。三、基因芯片的應用技術(shù)舉例1、基因破譯目前，由多國科學(xué)家參與的“人類(lèi)基因組計劃”，正力圖在21世紀初繪制出完整的人類(lèi)染色體排列圖。眾所周知，染色體是DNA的載體，基因是DNA上有遺傳效應的片段，構成DNA的基本單位是四種堿基。由于每個(gè)人擁有30億對堿基，破譯所有DNA的堿基排列順序無(wú)疑是一項巨型工程。與傳統基因序列測定技術(shù)相比，基因芯片破譯人類(lèi)基因組和檢測基因突變的速度要快數千倍?；蛐酒臋z測速度之所以這么快，主要是因為基因芯片上有成千上萬(wàn)個(gè)微凝膠，可進(jìn)行并行檢測；同時(shí)，由于微凝膠是三維立體的，它相當于提供了一個(gè)三維檢測平臺，能固定住蛋白質(zhì)和DNA并進(jìn)行分析。美國正在對基因芯片進(jìn)行研究，已開(kāi)發(fā)出能快速解讀基因密碼的“基因芯片”，使解讀人類(lèi)基因的速度比目前高1000倍。圖1所示為一種內嵌基因芯片的基因檢測裝置。2、基因診斷通過(guò)使用基因芯片分析人類(lèi)基因組，可找出致病的遺傳基因。癌癥、糖尿病等，都是遺傳基因缺陷引起的疾病。醫學(xué)和生物學(xué)研究人員將能在數秒鐘內鑒定出最終會(huì )導致癌癥等的突變基因。借助一小滴測試液，醫生們能預測藥物對病人的功效，可診斷出藥物在治療過(guò)程中的不良反應，還能當場(chǎng)鑒別出病人受到了何種細菌、病毒或其他微生物的感染。利用基因芯片分析遺傳基因，將使10年后對糖尿病的確診率達到50％以上。未來(lái)人們在體檢時(shí)，由搭載基因芯片的診斷機器人對受檢者取血，轉瞬間體檢結果便可以顯示在計算機屏幕上。利用基因診斷，醫療將從千篇一律的“大眾醫療”的時(shí)代，進(jìn)步到依據個(gè)人遺傳基因而異的“定制醫療”的時(shí)代。3、基因環(huán)?；蛐酒诃h(huán)保方面也大有可為?；蛐酒筛咝У靥綔y到由微生物或有機物引起的污染，還能幫助研究人員找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。這種對環(huán)境友好的基因一旦被發(fā)現，研究人員將把它們轉入普通的細菌中，然后用這種轉基因細菌清理被污染的河流或土壤。4、基因計算DNA分子類(lèi)似“計算機磁盤(pán)”，擁有信息的保存、復制、改寫(xiě)等功能。將螺旋狀的DNA的分子拉直，其長(cháng)度將超過(guò)人的身高，但若把它折疊起來(lái)，又可以縮小為直徑只有幾微米的小球。因此，DNA分子被視為超高密度、大容量的分子存儲器?；蛐酒?jīng)過(guò)改進(jìn)，利用不同生物狀態(tài)表達不同的數字后還可用于制造生物計算機?；诨蛐酒突蛩惴?，未來(lái)的生物信息學(xué)領(lǐng)域，將有望出現能與當今的計算機業(yè)硬件巨頭――英特爾公司、軟件巨頭――微軟公司相匹敵的生物信息企業(yè)。四、基因芯片的實(shí)際應用基因芯片在生命科學(xué)、醫藥研究、環(huán)境保護和農業(yè)等領(lǐng)域有極其重要的應用價(jià)值。在基因芯片的驅動(dòng)下，人類(lèi)正進(jìn)入一個(gè)嶄新的生物信息時(shí)代。1、在美國科學(xué)家第一次將一個(gè)他們稱(chēng)之為生物芯片的計算機芯片植入人體的細胞上，從而使人體細胞與計算機連接。這是美國科學(xué)家波利斯·魯賓斯基（Boris Lubinsky）和他的同事黃永（譯音）在3月份的美國《生物醫學(xué)微設備》雜志中著(zhù)文披露的。2、人體細胞外面包有一個(gè)細胞膜，該細胞膜具有使特定物質(zhì)單向通過(guò)的功能。多年來(lái)，科學(xué)家們一直尋求找到用電沖擊的方法，使所希望的物質(zhì)進(jìn)入細胞膜，但直 到目前為止，所用的方法有時(shí)成功，有時(shí)失敗。而使用魯賓斯基和黃永研究出來(lái)的 新方法，細胞膜由計算機得到一個(gè)信號，讓某些物質(zhì)進(jìn)入到細胞中。隨具體場(chǎng)合的 不同，這些物質(zhì)可以是例如用來(lái)改變基因的遺傳物質(zhì)，也可以是藥物或蛋白質(zhì)。這樣，就可以更好地使這些物質(zhì)發(fā)生效力。魯賓斯基等科學(xué)家打算研制出能對例如神經(jīng)細胞和肌肉等人體組織發(fā)出指令的生物芯片，這樣至少會(huì )使人所服用的藥物發(fā)揮更大的效力。俄亥俄州立大學(xué)生物醫學(xué)工程中心主任莫里羅·弗拉里稱(chēng)魯賓斯基的這項發(fā)明是處在發(fā)展階段早期的具有潛在作用的實(shí)驗室工具。美國科學(xué)家們稱(chēng)，他們已經(jīng)找到了一種能使人體細胞和電路進(jìn)行交配的生物工程芯片，它能在醫學(xué)和基因工程學(xué)方面發(fā)揮關(guān)鍵的作用。這種比頭發(fā)還小還細的微型裝置使健康人體細胞和電子芯片結合，通過(guò)電腦對芯片進(jìn)行控制，科學(xué)家認為他們能夠控制細胞的活動(dòng)。電腦向細胞芯片發(fā)送電脈沖，激發(fā)細胞膜孔張開(kāi)，并激活細胞?？茖W(xué)家希望能夠大批量地生產(chǎn)這種細胞芯片，并能夠把它們植入人體，取代或修正病變組織。領(lǐng)導這項研究的加州大學(xué)機械工程學(xué)教授鮑里斯·魯賓斯基說(shuō)：“細胞芯片還使科學(xué)家在復雜的基因治療過(guò)程中更準確地進(jìn)行控制，因為他們能夠更準確地開(kāi)啟細胞孔。”魯賓斯基還說(shuō)：“我們在生物學(xué)領(lǐng)域里引入了工程學(xué)的精髓，我們完全可以在不影響周?chē)渌毎那闆r下輸入DNA、提取蛋白質(zhì)以及注射藥物。”該細胞芯片的出現與長(cháng)期存在的一種理論有關(guān)，即一定量的電壓能夠穿透細胞膜。多年來(lái)，科學(xué)家一直在進(jìn)行用電力轟擊細胞試驗的遺傳研究，希望藉此引入新的療法和基因物質(zhì)。研究人員希望能最終制造出與激活不同的身體組織（從肌肉到骨骼到大腦）所需的準確的電壓量相調合的細胞芯片。那樣的話(huà)，將會(huì )有數以千計的細胞芯片用來(lái)治療各種類(lèi)型的疾病。3、用獨創(chuàng )技術(shù)自行研制的中國第一片應用型基因芯片于近日在第一軍醫大學(xué)正式誕生。據第一軍醫大學(xué)有關(guān)負責人透露，該軍醫大研制成功的基因芯片，是中國首次應用一種創(chuàng )新的基因片擴增技術(shù)，率先攻克了內陸同行在基因芯片研究中首先面臨的快速經(jīng)濟地搜集數以萬(wàn)數基因探針難題，并巧妙運用新技術(shù)手段明顯地降低成本。目前，該芯片已完成實(shí)驗室工作，即將進(jìn)入臨床驗證階段，如果順利，用於臨床診斷的基因芯片可望不久投入批量生產(chǎn)。但到目前為止，全世界還沒(méi)有實(shí)際用於臨床應用診斷的基因芯片生產(chǎn)。在實(shí)驗室里，將這幾片比大拇指蓋稍大的基因芯片，放在檢測器上，與之相連的電腦屏幕上立刻出現了縱橫交錯的紅紅綠綠熒光點(diǎn)，出現的每個(gè)熒光點(diǎn)就是一個(gè)基因片斷的點(diǎn)陣。只要取病人一滴血放在芯片檢測卡上，經(jīng)過(guò)分子雜交后，連上電腦就可以立刻顯示出基因變化情況，并通過(guò)電腦把基因語(yǔ)言翻譯成醫生能讀得懂的信息，從而對疾病做出準確的診斷。這種芯片的成功誕生，標志著(zhù)疾病的診斷由細胞和組織水平推進(jìn)到基因水平。它們的開(kāi)發(fā)應用將在環(huán)境污染控制、動(dòng)植物檢疫、器官移植、產(chǎn)前診斷、藥物篩選、藥物開(kāi)發(fā)等方面展示出廣闊的前景。五、生命科學(xué)漸成IT公司關(guān)注焦點(diǎn)人類(lèi)基因組工作草圖繪畢的消息像打開(kāi)了阿里巴巴寶藏的大門(mén)，以基因技術(shù)為核心的生命科學(xué)市場(chǎng)正吸引著(zhù)越來(lái)越多的淘金者。近來(lái)，為這些淘金者生產(chǎn)“鐵锨”的資訊科技（IT）公司的積極行動(dòng)頗為引人注目。1、揭開(kāi)基因之迷須破譯大量數據人類(lèi)基因組草圖僅僅是讀出了“生命之書(shū)”，而要真正讀懂它，揭示所有基因編碼所代表的信息，還必須破譯浩如煙海的數據。在著(zhù)名的英國桑格中心里，有關(guān)人類(lèi)基因組的數據已經(jīng)達到22萬(wàn)億字節，是世界上首屈一指的美國國會(huì )圖書(shū)館藏書(shū)內容的兩倍多。據這家中心估計，在未來(lái)兩至三年內，與人類(lèi)基因組有關(guān)的數據量還將上升到50萬(wàn)億至100萬(wàn)億字節。2、生命科學(xué)公司10%投資用于開(kāi)發(fā)資訊科技為了解決處理數據所需的龐大計算能力的問(wèn)題，世界上最大的12家生命科學(xué)公司目前把近10%的科研預算用于資訊科技投資，而且這個(gè)比例可能還將增長(cháng)。據美國國際商業(yè)機器公司（IBM）估計，與生命科學(xué)有關(guān)的資訊科技市場(chǎng)將在今年達到35億美元，到2003年達到90億美元。3、市場(chǎng)潛力巨大一些著(zhù)名的IT企業(yè)，已將眼光瞄準了這一潛力巨大的市場(chǎng)。例如，IBM已經(jīng)決定投資1億美元，用五年時(shí)間研制一種名為“藍基因”的超級電腦。“藍基因”的運算能力將是美國現有40臺最快的超級電腦運算能力總和的40倍，它主要用于模擬人類(lèi)蛋白折疊成特殊形狀的過(guò)程。世界最大的個(gè)人電腦制造商美國康柏公司，也垂涎這塊“肥肉”。4、康柏趁早下手培養未來(lái)客戶(hù)基礎已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域電腦服務(wù)器主要供應商的康柏公司最近宣布，它將繼續投資1億美元，支持新興生物技術(shù)公司，以培養未來(lái)的客戶(hù)基礎。其實(shí)，IT公司還遠不止盯著(zhù)這些近期利益。以基因研究為基礎的生物經(jīng)濟可能在新世紀里成為新經(jīng)濟的重要組成部分，對此人們已經(jīng)達成共識。5、行業(yè)標準制定者能享有巨大經(jīng)濟利益根據以往的經(jīng)驗，率先進(jìn)入市場(chǎng)的公司大多能夠成為行業(yè)標準的制定者，這些行業(yè)標準往往意味著(zhù)巨大的經(jīng)濟利益。今年8月，德國獅生命科學(xué)公司的股票上市。由于投資者看中這家公司的基因次序檢索系統（SRS）可能成為行業(yè)新標準，其股票價(jià)格在短短時(shí)間里迅速上漲了50%。6、政府支持基因研究IT公司進(jìn)軍生命科學(xué)領(lǐng)域，與各國政府對基因研究的支持密不可分。為了在基因組研究的下一個(gè)階段——分析蛋白質(zhì)結構的國際競爭中領(lǐng)先，不少?lài)曳e極采取措施，促進(jìn)信息業(yè)與生物產(chǎn)業(yè)的結合。例如，日本不久前就組織了“官產(chǎn)學(xué)”大聯(lián)合的“生物產(chǎn)業(yè)信息化研究共同體”，參加這個(gè)共同體除了制藥、食品、生物、化學(xué)等與基因科學(xué)相關(guān)的企業(yè)外，還有不少電腦公司。小結：科學(xué)界公認，生物芯片技術(shù)將給下個(gè)世紀生命科學(xué)和醫學(xué)研究帶來(lái)一場(chǎng)革命。目前我國科學(xué)家正在加速研制這種可能快捷便利提取DNA，查找遺傳基因特性的新技術(shù)。相信，這一現代生物與高科技聯(lián)姻的成果將為二十一世紀的發(fā)展作出巨大的貢獻！
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