基因芯片技術(shù)在生物研究中的應(yīng)用進(jìn)展

李筱樂(lè)

在高中生物基因工程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)提到基因芯片的發(fā)展，基因芯片是生物高科技發(fā)展的產(chǎn)物，是一項(xiàng)高新技術(shù)，在基因工程方面得到了廣泛的應(yīng)用，基因芯片為基因表達(dá)、基因重組方面做出了重要的貢獻(xiàn)。本篇文章闡述基因芯片技術(shù)在生物研究中的應(yīng)用進(jìn)展，同時(shí)介紹基因芯片的未來(lái)發(fā)展方向。

基因芯片技術(shù)是將已知序列的核酸片段進(jìn)行固定，組成的一系列有次序的核酸片段，利用熒光標(biāo)記法將已知片段標(biāo)記，然后利用基因雜交技術(shù)，將已知的核酸片段與未知的核酸片段進(jìn)行雜交，然后通過(guò)熒光標(biāo)記的部位推測(cè)未知核酸片段序列，從而得知核酸樣品的具體信息。基因芯片可以在有限的實(shí)驗(yàn)次數(shù)內(nèi)迅速地獲得樣品的基因變化規(guī)律，利用基因芯片進(jìn)行測(cè)序，既方便又高效。

1 基因芯片的概述

1.1 基因芯片的具體概述

基因芯片也稱(chēng)為DNA芯片，是生物芯片發(fā)展的核心技術(shù)。基因芯片最先出現(xiàn)于美國(guó)，其具有高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，基因芯片是在基因的基礎(chǔ)上進(jìn)行操控，是利用基因探針技術(shù)以及核酸雜交技術(shù)對(duì)核酸樣品序列進(jìn)行準(zhǔn)確分析的一項(xiàng)技術(shù)。基因芯片可以分為很多種，將有機(jī)基質(zhì)作為載體的稱(chēng)為有機(jī)基因芯片，將無(wú)機(jī)基質(zhì)作為載體的稱(chēng)為無(wú)機(jī)基因芯片;同時(shí)，基因芯片還有不同的功能，其中包括核酸序列測(cè)序，基因差異表達(dá)等。

1.2 基因芯片的主要原理

基因芯片主要利用到基因探針以及核酸雜交技術(shù)，將已知序列的核酸片段固定在物體上，成為基因探針，同時(shí)利用堿基互補(bǔ)配對(duì)原則和熒光標(biāo)記法，將被標(biāo)記的基因探針與待測(cè)的核酸片段進(jìn)行雜交，通過(guò)檢測(cè)熒光信號(hào)的有無(wú)，測(cè)定靶基因的具體信息。

1.3 基因芯片的制備方法

1.3.1 原位合成法

將許多電極固定在硅膠等固體支持物上，根據(jù)電極的特點(diǎn)，其上具有許多生物親和性的小孔，其中四種脫氧單糖核苷酸能夠在電機(jī)的小孔上合成DNA的小部分片段。原位合成法的用途較為狹窄，只能合成基因芯片，而不可以合成蛋白質(zhì)芯片。

1.3.2 直接點(diǎn)樣法

直接點(diǎn)樣法與原位合成法相比，具有一定的優(yōu)勢(shì)，直接點(diǎn)樣法是將人工合成的核苷酸片段直接固定在硅膠等固體支持物上，其步驟簡(jiǎn)單，不僅可以制造基因芯片，還可以制造蛋白質(zhì)芯片，就是操作過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的需求量大。

1.4 基因芯片存在的不足

已知的基因序列有限，已知的基因序列是制備基因芯片的主要材料。但已知的基因序列較少，是阻礙基因芯片技術(shù)發(fā)展的主要因素。此外，比如探針對(duì)雜交體的穩(wěn)定性也會(huì)影響到基因芯片技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境對(duì)于基因芯片的影響還有待挖掘，這需要進(jìn)一步的掌握生化性質(zhì)，從根本是掌握芯片的應(yīng)用規(guī)律。此外，基因芯片檢測(cè)的靈敏度不夠高，在檢測(cè)中操作較為復(fù)雜，這也是生物領(lǐng)域工作者應(yīng)該改進(jìn)并研究的重要內(nèi)容。

2 基因芯片在生物研究中的具體應(yīng)用

2.1 可以用來(lái)對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行分析

生物的致病基因的表達(dá)與生物的階段發(fā)育有關(guān)，生物的不同階段，其致病基因的表達(dá)情況不同;同時(shí)，致病基因又受到病原微生物的影響。致病基因的表達(dá)情況需要利用基因芯片來(lái)獲得，還可以根據(jù)基因的表達(dá)情況來(lái)推測(cè)基因的功能以及致病的機(jī)理。相關(guān)研究者對(duì)萊姆病原菌在不同環(huán)境下的基因表達(dá)情況做了詳細(xì)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將萊姆病原菌放入新環(huán)境中，萊姆病原菌為了適應(yīng)環(huán)境的改變，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)做出改變，當(dāng)其適應(yīng)之后，萊姆病原菌的基因表達(dá)情況便會(huì)穩(wěn)定不便。由此可以看出，病原微生物能夠在短期內(nèi)適應(yīng)環(huán)境的變化，這也是病原微生物抗藥性的原因之一。

2.2 基因芯片可以進(jìn)行DNA測(cè)序

DNA測(cè)序是指通過(guò)運(yùn)用相關(guān)的生物技術(shù)，從而得知脫氧核苷酸的排列順序。基因芯片技術(shù)在DNA測(cè)序上獲得了巨大的成就。其憑借高效性與準(zhǔn)確性，能夠準(zhǔn)確的DNA進(jìn)行測(cè)序，具有很大的發(fā)展空間。利用基因芯片進(jìn)行測(cè)序的準(zhǔn)確率極高，將已知基因序列的基因探針與待測(cè)的樣品進(jìn)行雜交，兩者的匹配度高，則其雜交信號(hào)就高。基因芯片在測(cè)定植物以及病原微生物基因突變的方面，有著較高的成就。其代表著利用基因芯片進(jìn)行測(cè)序的效率有著明顯的提高。我國(guó)的基因芯片也得到了有效地發(fā)展，在生物領(lǐng)悟的成就非凡。

2.3 為新基因的發(fā)展奠定基礎(chǔ)

基因芯片技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用之后，為我國(guó)的生物工作者提供了一定的思路去研究新基因，隨著對(duì)基因組的不斷研究，基因組序列被掌握與理解，這為工作者研究未知的基因與功能奠定了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以往的研究過(guò)程中，工作者還無(wú)法解釋生物生理過(guò)程中基因相互作用的問(wèn)題。基因芯片技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了可能。從事生物研究的相關(guān)人員利用基因芯片技術(shù)，經(jīng)過(guò)篩選，從而發(fā)現(xiàn)了果蠅差異表達(dá)基因，在此基礎(chǔ)上，還發(fā)現(xiàn)了很多相關(guān)的新基因。這是我國(guó)生物研究的一大成就。此外，松材線蟲(chóng)的出現(xiàn)，是我國(guó)生態(tài)環(huán)境面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，我國(guó)相關(guān)研究醫(yī)學(xué)、者已經(jīng)對(duì)松材線蟲(chóng)的基因進(jìn)行了測(cè)序，已經(jīng)研究掌握了松材線蟲(chóng)的致病基因，能夠有效地防止松材線蟲(chóng)引起的災(zāi)害。

2.4 基因芯片在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

基因芯片受到個(gè)各個(gè)國(guó)家、各個(gè)行業(yè)的關(guān)注，基因芯片技術(shù)的的發(fā)展成為生物芯片發(fā)展的最重要的課題，目前的基因芯片憑借高通量的檢測(cè)能力，成為研究植物基因的重要技術(shù)，已經(jīng)廣泛的運(yùn)用于植物生理、植物抗逆境生長(zhǎng)、病蟲(chóng)害檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因植物研發(fā)等多個(gè)方面，在農(nóng)業(yè)的領(lǐng)悟取得了巨大的成就。就轉(zhuǎn)基因技術(shù)來(lái)說(shuō)，基因芯片具有一定的高效性，可以同時(shí)檢測(cè)多種基因，可以同時(shí)準(zhǔn)確的辨別啟動(dòng)子，可以簡(jiǎn)單、迅速并且準(zhǔn)確的檢測(cè)轉(zhuǎn)基因的農(nóng)產(chǎn)品，此外，基因芯片的出現(xiàn)還能夠提高檢查轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品的靈敏度。

2.5 基因芯片在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

可以利用基因芯片檢測(cè)基因的表達(dá)方式以及基因的功能，從而查找到致病基因以及致病的機(jī)理。包括腫瘤在內(nèi)的許多疾病都是由于致病因子刺激基因的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而引起基因結(jié)構(gòu)或者基因序列的改變。因此，利用基因芯片來(lái)對(duì)不同的基因進(jìn)行檢查，從基因的程度上對(duì)致病因素進(jìn)行調(diào)控，對(duì)病人進(jìn)行及時(shí)的救治，可以改善病情或者阻礙病情的再次發(fā)生。同時(shí)，還可以利用基因芯片技術(shù)篩選出中藥中的有效成分，掌握藥物中有效藥物的分子機(jī)理，力求能夠從基因的水平上解釋治病的機(jī)理，從而提高中藥的使用率，在一定的程度上能夠避免藥物的浪費(fèi)。

2.6 利用基因芯片技術(shù)繪制圖譜

利用基因芯片技術(shù)繪制生物所需的基因圖譜。我國(guó)著名的生物學(xué)家張新建，利用基因芯片技術(shù)研究掌握了水稻白葉枯病菌侵染的整個(gè)過(guò)程，同時(shí)他分析了水稻的基因表達(dá)圖譜，發(fā)現(xiàn)在水稻基因表達(dá)的過(guò)程中，有五個(gè)基因發(fā)生了明顯的變化。同時(shí)我國(guó)的生物學(xué)家趙寶存利用新芯片技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了小麥基因表達(dá)的差異性，并研制出小麥基因差異表達(dá)的圖譜，為相關(guān)人員的提供了技術(shù)上的參考，為我國(guó)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基因芯片能夠快速的分析生物基因表達(dá)的具體信息，在生命科學(xué)的領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用。基因芯片從最初被研發(fā)到現(xiàn)在只經(jīng)過(guò)了短短十幾年，但是基因芯片技術(shù)的發(fā)展飛速，同時(shí)，基因芯片技術(shù)對(duì)生命科學(xué)未來(lái)的發(fā)展有著重要的意義。基因芯片可以分析出基因的具體功能，基因芯片技術(shù)的發(fā)展是生物界發(fā)現(xiàn)的必然趨勢(shì)，基因芯片技術(shù)將會(huì)在生物的各個(gè)行業(yè)中發(fā)揮巨大的作用，加快我國(guó)醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等相關(guān)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。基因芯片技術(shù)雖然存在一定的不足，但是并不能否定基因芯片對(duì)各個(gè)領(lǐng)域所做出的貢獻(xiàn)，DNA測(cè)序以及其他基因方面的研究，都是在基因芯片技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)的。

（作者單位：西安交通大學(xué)附屬中學(xué)航天學(xué)校）