Tecnología de chip genético

1. Biochips y chips genéticos

La tecnología de los biochips se basa en el principio de interacciones específicas entre moléculas, un sistema de análisis micro bioquímico que integra análisis discontinuos. procesos en el campo de las ciencias de la vida en la superficie de obleas de silicio o de vidrio a través de tecnología de micrones, logrando así una detección precisa, rápida y basada en información de componentes biológicos como células, proteínas y genes. Según los diferentes materiales biológicos solidificados en el chip, los biochips se pueden dividir en chips de genes, chips de proteínas, chips de células y chips de tejidos. En comparación con los métodos tradicionales de detección de instrumentos, la tecnología de biochips tiene las características de paso alto, miniaturización, automatización, bajo costo y anticontaminación. Según la tecnología de producción de biochips, los biochips se pueden dividir en microarrays y chips de síntesis in situ. En vista del rápido desarrollo de la tecnología de los biochips, la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia los calificó como uno de los diez principales avances tecnológicos en 1998, creyendo que la tecnología de los biochips será otra revolución tecnológica de gran alcance después de los circuitos integrados a gran escala.

En la actualidad, la forma de biochip de mayor éxito es el "microarray" que analiza secuencias genéticas, también conocido como chip genético (Gene chip) de ADN. Según los diferentes tipos de ADN en el vector, los chips genéticos se pueden dividir en chips de oligonucleótidos y chips de ADNc. Los chips genéticos se pueden dividir en chips de expresión, chips de diagnóstico, chips de huellas dactilares, chips de secuenciación, chips de toxicología, etc. según sus usos. Ya a principios de la década de 1980, Bains et al. utilizaron la hibridación para secuenciar fragmentos cortos de ADN fijados en soportes. La industrialización de la tecnología de chips genéticos desde la etapa experimental se debe a la introducción de otras tecnologías, como la microscopía de enfoque láser, la combinación de tecnología de síntesis in situ de estado sólido con sonda y tecnología de fotolitografía, y el establecimiento de un fluorescente de dos colores. Sistema de hibridación de sondas. El desarrollo del Proyecto Genoma Humano (PGH) y disciplinas relacionadas de la biología molecular a principios de la década de 1990 también proporcionó condiciones favorables para el surgimiento y desarrollo de la tecnología de chips genéticos. En 1992, un equipo dirigido por Fodor de Affymatrix informó por primera vez de un chip de ADN sintetizado in situ utilizando tecnología de fotolitografía semiconductora. Este fue el primer chip genético del mundo. En 1995, el laboratorio de P. Brown en la Universidad de Stanford inventó el primer chip de micromatriz de genes utilizando vidrio como soporte. Esto indica que la tecnología de chips genéticos ha entrado en un período de extensa investigación y aplicación.

2. Condiciones necesarias para la preparación de chips genéticos

1. El gen objetivo se utiliza para la detección de chips. Los genes diana se pueden dividir en ADN cromosómico (o ADN genómico) y ADNc (o ADN sintético). La investigación actual se centra principalmente en el ADNc, porque el ADNc es una secuencia de ADN que codifica proteínas en los cromosomas y tiene valor comercial y de investigación en campos como la medicina.

2. Tecnología de preparación La preparación de chips genéticos integra tecnologías de vanguardia en los campos de las ciencias biológicas, colorantes químicos, microelectrónica, láseres, estadística, etc., incluyendo principalmente la preparación de chips (spotters y vidrio). portaobjetos), selección, amplificación y fijación de genes diana), preparación de sondas de hibridación (extracción de ARNm, transcripción inversa de ARNm, PCR y marcaje fluorescente de sonda), optimización de las condiciones de hibridación (selección de solución de hibridación, condiciones de hibridación y condiciones de lavado) y datos. Técnicas analíticas. Entre ellos, la preparación de chips genéticos se basa principalmente en tecnologías de microprocesamiento, automatización y síntesis química. Por lo general, existen tres métodos típicos para preparar chips de ADN: (1) Síntesis in situ, representada por la síntesis fotoconductora in situ desarrollada por Affymetrix (2) El método de detección de síntesis se divide en método de pulverización química y método de punto de contacto según si; está en contacto con la superficie del chip. Mismo método. Representado por Incyte Pharmaceuticals y la Universidad de Stanford respectivamente. (3) El método piezoeléctrico utiliza cuatro boquillas piezoeléctricas equipadas con nucleósidos A, T, G y C para sintetizar sondas de ADN in situ en el chip.

Tres. Introducción a la tecnología de chips genéticos

La tecnología de chips genéticos incluye principalmente cuatro pasos principales: preparación del chip, preparación de muestras, reacción de hibridación, detección de señales y análisis de resultados.

1. Preparación de chips: actualmente, los chips están hechos principalmente de vidrio o silicio, y los fragmentos de oligonucleótidos o ADNc se organizan secuencialmente en el soporte mediante síntesis in situ y métodos de microarrays. Además de la tecnología de micromecanizado, también se necesita robótica para preparar los chips. Esto permite colocar la sonda de forma rápida y precisa en la ubicación designada del chip.

2. Preparación de muestras - Las muestras biológicas suelen ser mezclas complejas de biomoléculas. A excepción de algunas muestras especiales, no pueden reaccionar directamente con el chip y, a veces, la cantidad de muestra es muy pequeña. Por lo tanto, es necesario extraer y amplificar muestras para obtener proteínas, ADN y ARN, y luego etiquetarlas con fluorescencia para mejorar la sensibilidad de detección y la seguridad del usuario.

3. Reacción de hibridación: la reacción de hibridación es un proceso en el que las muestras marcadas con fluorescencia reaccionan con sondas en el chip para generar una serie de información. La elección de las condiciones de reacción adecuadas puede mantener la reacción intermolecular en un estado óptimo y reducir la tasa de desajuste entre biomoléculas.

4. Detección de señales y análisis de resultados: el escáner de chips y el software relacionado pueden analizar la posición de fluorescencia y la intensidad de cada punto de reacción en el chip después de la hibridación y convertir la fluorescencia en datos para obtener información biológica relevante. El objetivo final del desarrollo de la tecnología de chips genéticos es integrar todo el proceso de análisis, desde la preparación de la muestra, la reacción de hibridación hasta la detección de señales, para obtener un sistema de análisis completo en miniatura o de laboratorio en un chip. Usando el laboratorio de microchips, podemos completar un conjunto completo de operaciones desde muestras originales hasta los resultados de análisis requeridos en un sistema cerrado en poco tiempo.

En cuarto lugar, la aplicación y el valor comercial de los chips genéticos.

En la actualidad, los campos de aplicación de la tecnología de chips genéticos incluyen principalmente el análisis del perfil de expresión genética, el descubrimiento de nuevos genes, el análisis de mutaciones genéticas y polimorfismos. , mapeo de bibliotecas genómicas, diagnóstico y predicción de enfermedades, detección de fármacos, secuenciación de genes, etc. Además, los chips genéticos también harán grandes contribuciones en la agricultura, la supervisión alimentaria, la protección del medio ambiente y la identificación forense. El rápido desarrollo de chips genéticos ha atraído una amplia atención y atención de países de todo el mundo.

En vista del enorme potencial y las atractivas perspectivas de los chips genéticos, los chips genéticos se han convertido en un punto de investigación y desarrollo en la academia y la industria de varios países. Especialmente en los Estados Unidos, que están atravesando la segunda ola desde el Proyecto Genoma Humano, el Presidente Clinton señaló en su discurso sobre el Estado de la Unión en junio de 1998: "En los próximos 12 años, los chips genéticos nos guiarán en la prevención de enfermedades en todo nuestro vidas." Junio ​​de 1998 El 29 de marzo, Estados Unidos anunció el lanzamiento oficial del proyecto de chip genético e invirtió conjuntamente más de 2 mil millones de dólares estadounidenses en fondos de investigación con instituciones de inversión privadas. Los países de todo el mundo también han comenzado a aumentar la inversión, y las industrias relacionadas con chips genéticos como núcleo están creciendo a nivel mundial. Actualmente, hay 8 empresas de biochips que cotizan en los Estados Unidos, con un aumento promedio anual del precio de las acciones del 75%. Según estadísticas de expertos, el valor de producción de la industria mundial de biochips es de aproximadamente 654,38 mil millones de dólares, y se espera que las ventas de biochips en el mercado alcancen más de 20 mil millones de dólares en los próximos cinco años. La revista estadounidense "Fortune" publicó un artículo: Hubo dos acontecimientos en la historia de la ciencia y la tecnología del siglo XX que tuvieron un profundo impacto. Uno es el chip microelectrónico, que es el corazón de las computadoras y de muchos electrodomésticos. Ha cambiado nuestra vida económica y cultural y ha entrado en todas las familias. Otra cosa son los biochips, que cambiarán los métodos de investigación de las ciencias de la vida, innovarán en el diagnóstico y tratamiento médico y mejorarán enormemente la calidad y la salud de la población. En vista de la gran importancia teórica y el valor práctico de la tecnología de biochips, la investigación sobre chips genéticos también se está desarrollando rápidamente en nuestro país. Por ejemplo, la Universidad de Fudan, el Instituto de Metalurgia de Shanghai, la Academia de Ciencias de China, la Universidad de Tsinghua, United Gene Co., Ltd., la Academia de Ciencias Médicas Militares, el Instituto de Citología de Shanghai, la Academia de Ciencias de China y otras unidades han logrado grandes avances en tecnología de biochips. Se cree que pronto se comercializarán productos de biochips de producción nacional.

En resumen, la investigación en profundidad y la aplicación generalizada de la tecnología de biochips representada por chips genéticos tendrán un profundo impacto en la vida y la salud humanas en el siglo XXI.