Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
На биочипе видны сотни гелевых капель.

В области молекулярной биологии , биочип разработаны субстраты ( «миниатюрные лаборатории») , которые могут содержать большое количество одновременных биохимических реакций. Одной из целей технологии биочипов является эффективный скрининг большого количества биологических аналитов с потенциальными приложениями, начиная от диагностики заболеваний и заканчивая обнаружением агентов биотерроризма . Например, цифровые микрофлюидные биочипы изучаются для применения в биомедицине. В цифровом микрожидкостном биочипе группа (соседних) ячеек в микрожидкостном массиве может быть сконфигурирована для работы в качестве хранилища, функциональных операций, а также для динамической транспортировки капель жидкости. [1]

История [ править ]

Разработка началась с ранней работы над базовой сенсорной технологией. Одним из первых портативных датчиков на основе химии был стеклянный pH-электрод , изобретенный в 1922 году Хьюзом. [2] Основная концепция использования сайтов обмена для создания проницаемых мембран была использована для разработки других ионных сенсоров в последующие годы. Например, сенсор K + был получен путем включения валиномицина в тонкую мембрану. [3]

В 1953 году Уотсон и Крик объявили о своем открытии уже знакомой структуры двойной спирали молекул ДНК и заложили основу для генетических исследований, которые продолжаются и по сей день. [4] Разработка методов секвенирования в 1977 году Гилбертом [5] и Сэнгером [6] (работающими отдельно) позволила исследователям непосредственно считывать генетические коды, дающие инструкции по синтезу белка . Это исследование показало, как гибридизация комплементарного одиночного олигонуклеотиданити можно использовать в качестве основы для зондирования ДНК. Две дополнительные разработки позволили использовать современные технологии на основе ДНК. Во-первых, в 1983 году Кэри Маллис изобрела метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) [4], метод увеличения концентраций ДНК. Это открытие сделало возможным обнаружение чрезвычайно малых количеств ДНК в образцах. Во-вторых, в 1986 году Худ и его сотрудники разработали метод маркировки молекул ДНК флуоресцентными метками вместо радиоактивных меток [7], что позволило наблюдать эксперименты по гибридизации оптически.

Рис. 1. Биочипы - это платформа, которая требует, помимо технологии микрочипов, технологий преобразования и обработки сигналов для вывода результатов экспериментов по зондированию.

На рисунке 1 показан состав типичной платформы биочипа. Фактический чувствительный компонент (или «чип») - это всего лишь одна часть полной системы анализа. Трансдукция должна выполняться для преобразования фактического события восприятия (связывание ДНК, окисление / восстановление и т. Д. ) В формат, понятный компьютеру ( напряжение , интенсивность света, масса и т. Д. ), Что затем позволяет провести дополнительный анализ и обработку для получения окончательный, понятный человеку вывод. Множество технологий, необходимых для создания успешного биочипа, - от химического анализа до микроматриц.до обработки сигналов - требует истинного мультидисциплинарного подхода, что делает барьер для входа крутым. Один из первых коммерческих биочипов был представлен Affymetrix . Их продукты «GeneChip» содержат тысячи отдельных ДНК-сенсоров для использования при обнаружении дефектов или однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в таких генах, как p53 (опухолевый супрессор) и BRCA1 и BRCA2 (связанные с раком груди). [8] Чипы производятся с использованием методов микролитографии , традиционно используемых для изготовления интегральных схем (см. Ниже).

Изготовление микрочипов [ править ]

Трехмерное изображение ДНК биочипа по Сарфусу

Микроматрица - плотная двумерная сетка биосенсоров - является важным компонентом платформы биочипа. Обычно датчики наносятся на плоскую подложку, которая может быть пассивной ( например, кремний или стекло) или активной, причем последняя состоит из интегрированной электроники или микромеханических устройств, которые выполняют или помогают в передаче сигнала. Химия поверхности используется для ковалентного связывания сенсорных молекул со средой субстрата. Изготовление микрочипов нетривиально и представляет собой серьезное экономическое и технологическое препятствие, которое в конечном итоге может решить успех будущих платформ для биочипов. Основной производственной проблемой является процесс размещения каждого датчика в определенной позиции (обычно на декартовой шкале).сетка) на подложке. Существуют различные способы размещения, но обычно для размещения крошечных пятен сенсорного материала на поверхности чипа используются роботизированные системы микропипетирования [9] или микропечати [10] . Поскольку каждый датчик уникален, одновременно можно разместить только несколько точек. Низкая производительность этого процесса приводит к высоким затратам на производство.

Фодор и его коллеги разработали уникальный производственный процесс (позже используемый Affymetrix ), в котором серия шагов микролитографии используется для комбинаторного синтеза сотен тысяч уникальных одноцепочечных ДНК-сенсоров на субстрате по одному нуклеотиду за раз. [11] [12] Для каждого базового типа требуется один шаг литографии; таким образом, требуется всего четыре шага на один нуклеотидный уровень. Хотя этот метод очень эффективен в том смысле, что можно создать множество сенсоров одновременно, в настоящее время он применим только для создания коротких цепей ДНК (15–25 нуклеотидов). Факторы надежности и стоимости ограничивают количество шагов фотолитографии, которые могут быть выполнены. Кроме того, в настоящее время методы комбинаторного синтеза с направленным светом невозможны для белков или других сенсорных молекул.

Как отмечалось выше, большинство микроматриц состоит из декартовой сетки датчиков. Этот подход используется в основном для сопоставления или «кодирования» координат каждого датчика его функции. Датчики в этих массивах обычно используют универсальную сигнальную технику ( например, флуоресценцию), поэтому координаты являются их единственным отличительным признаком. Эти массивы должны быть изготовлены с использованием последовательного процесса ( т.е. требующего нескольких последовательных шагов), чтобы гарантировать, что каждый датчик размещен в правильном положении.

«Произвольное» изготовление, при котором датчики размещаются в произвольных местах на кристалле, является альтернативой последовательному методу. Утомительный и дорогостоящий процесс позиционирования не требуется, что позволяет использовать параллельные методы самосборки. При таком подходе можно производить большие партии идентичных датчиков; Затем датчики из каждой партии объединяются и собираются в массив. Для идентификации каждого датчика необходимо использовать схему кодирования без координат. Как показано на рисунке, такая конструкция была впервые продемонстрирована (а затем коммерциализирована компанией Illumina) с использованием функционализированных шариков, размещенных случайным образом в лунках протравленного оптоволоконного кабеля. [13] [14]Каждая гранула была уникально закодирована флуоресцентной подписью. Однако эта схема кодирования ограничена числом уникальных комбинаций красителей, которые можно использовать и успешно дифференцировать.

Массив белковых биочипов и другие технологии микрочипов [ править ]

Микроматрицы не ограничиваются анализом ДНК ; белковые микрочипы , антитела микрочипов , химическое соединение микрочипов также могут быть получены с использованием биочипов. Randox Laboratories Ltd. запустила Evidence, первый анализатор белка Biochip Array Technology в 2003 году. В Protein Biochip Array Technology биочип заменяет планшет или кювету ELISA в качестве платформы для реакции. Биочип используется для одновременного анализа группы связанных тестов в одном образце, создавая профиль пациента . Профиль пациента может быть использован для скрининга заболеваний, диагностики, наблюдение за прогрессированием заболевания или наблюдение за лечением. Одновременное выполнение нескольких анализов, называемое мультиплексированием, позволяет значительно сократить время обработки и количество требуемых образцов пациента. Технология Biochip Array - это новое приложение знакомой методологии с использованием сэндвич-тестов, конкурентных иммуноанализов и иммуноанализов с захватом антител . Отличие от обычных иммуноанализов заключается в том, что захватывающие лиганды ковалентно прикрепляются к поверхности биочипа в упорядоченном массиве, а не в растворе.

В сэндвич-анализах используются антитела, меченные ферментом; в конкурентных анализах используется антиген, меченный ферментом. При связывании антитела с антигеном реакция хемилюминесценции дает свет. Обнаружение осуществляется камерой с зарядовой связью (CCD). ПЗС-камера - это чувствительный датчик с высоким разрешением, способный точно обнаруживать и определять очень низкие уровни света. Тестовые области располагаются с использованием сетки, затем сигналы хемилюминесценции анализируются с помощью программного обеспечения для визуализации для быстрого и одновременного количественного определения индивидуальных аналитов.

Биочипы также используются в области микрофизиометрии, например, в приложениях «кожа на чипе» [15] .

Дополнительные сведения о других технологиях массивов см. В разделе Микроматрица антител .

См. Также [ править ]

  • Химический состав микрочипа
  • Микрочип ДНК
  • Лаборатория на чипе
  • Магнитный иммуноферментный анализ
  • Микрофизиометрия
  • Наносенсоры
  • Орган на чипе
  • Плоский патч-зажим
  • Белковый массив
  • Последовательность действий
  • Однонуклеотидный полиморфизм
  • Тканевый микрочип

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Высокоуровневый синтез цифровых микрожидкостных биочипов» (PDF) . Университет Дьюка.
  2. ^ WS Hughes, "Разность потенциалов между стеклом и электролитами при контакте с водой", J. Am. Chem. Soc. 44, стр. 2860–2866, 1922
  3. ^ JS Schultz и RF Taylor в Справочнике по химическим и биологическим датчикам , JS Schultz and RF Taylor, eds., Ch. Введение в химические и биологические датчики, стр. 1–10, Издательство Института физики, Филадельфия, 1996 г.
  4. ^ a b Д. Л. Нельсон и М. М. Кокс, Принципы биохимии Ленингера, издательство Worth Publishers, Нью-Йорк, 2000 г.
  5. ^ AM Maxam и W. Gilbert, "Новый метод секвенирования ДНК", Proc. Natl. Акад. Sci. 74, стр. 560–564, 1977
  6. ^ Ф. Сэнгер, С. Никлен и А. Р. Колсон, "Секвенирование ДНК с помощью ингибиторов обрыва цепи", Proc. Natl. Акад. Sci. 74. С. 5463–5467, 1977.
  7. ^ LM Smith, JZ Sanders, RJ Kaiser, P. Hughes, C. Dodd, CR Connell, C. Heiner, SBH Kent, и LE Hood, "Обнаружение флуоресценции в автоматическом анализе последовательности ДНК", Nature 321, стр. 61–67 , 1986
  8. ^ П. Фортина, Д. Грейвс, К. Стокерт, младший, С. Маккензи и С. Суррей в Biochip Technology , J. Cheng и LJ Kricka, ред., Гл. Варианты технологий и применения ДНК-микрочипов, стр. 185–216, Harwood Academic Publishers, Philadelphia, 2001
  9. ^ M. Schena, D. Shalon, RW Davis и PO Brown, "Количественный мониторинг паттернов экспрессии генов с помощью комплементарного ДНК-микрочипа", Science 270, стр. 467–470, 1995
  10. ^ G. MacBeath, AN Koehler и SL Schreiber, "Печать малых молекул в виде микрочипов и обнаружение взаимодействий белок-лиганд в массе", J. Am. Chem. Soc. 121, стр. 7967–7968, 1999.
  11. ^ С.П. Фодор, Дж. Л. Рид, М.К. Пиррунг, Л. Страйер, А.Т. Лу и Д. Солас, "Светонаправленный, пространственно-адресный параллельный химический анализ", Science 251, стр. 767–773, 1991
  12. ^ AC Pease, D. Solas, EJ Sullivan, MT Cronin, CP Holmes и SP Fodor, "Световые массивы олигонуклеотидов для быстрого анализа последовательности ДНК", Proc. Natl. Акад. Sci. 91, стр. 5022–5026, 1994.
  13. ^ FJ Steemers, JA Ferguson и DR Walt, "Скрининг немеченых целей ДНК с помощью случайно упорядоченных волоконно-оптических массивов генов", Nature Biotechnology 18, стр. 91–94, 2000
  14. ^ К.Л. Майкл, Л.К. Тейлор, С.Л. Шульц и Д.Р. Уолт, "Случайно упорядоченные адресуемые массивы оптических датчиков высокой плотности", Аналитическая химия 70, стр. 1242–1248, 1998
  15. ^ Александр, Ф., Эггерт, С., Уист, Дж .: Кожа на чипе: трансэпителиальное электрическое сопротивление и внеклеточное подкисление с помощью автоматизированного интерфейса воздух-жидкость, Genes, 2018, 9/2, 114; DOI: 10.3390 / genes9020114