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生物芯片将怎样改变我们的生活

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◆清华大学生物芯片研究中心主任 程京

(光明日报 2001年4月9日)

生物芯片已成为热点

  生物芯片(又称DNA芯片、基因芯片)技术是20世纪90年代初半导 体技术和生物技术“联姻”的结晶,由于它可能形成巨大产业,自然 就成了国际科研的热点。

  生物芯片有很多种,包括基因芯片、蛋白质芯片、多糖芯片和神 经元芯片等,能够从各个层次揭示生命的奥秘。简单来说,生物芯片 是指能对生物分子进行快速并行处理和分析的薄型固体器件,它只有 指甲盖大小。生物芯片制作并不是目的,就像计算机的芯片一样,目 的是为了制作计算机本身,是要通过生物芯片来制作芯片实验室系统。 芯片实验室是指能够把样品制备、生化反应和结果检测三步全部集成 所构成的微型全分析系统,在美国叫做芯片实验室。

  生物芯片技术系指将大量(通常每平方厘米点阵密度高于400)探 针分子固定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交,通过检测每个 探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。早在 八十年代,Bains.W等人就将短的DNA片断固定到支持物上,借助杂交 方式进行序列测定。但基因芯片从实验室走向工业化却是直接得益于 探针固相原位合成技术和照相平板印刷技术的有机结合以及激光共聚 焦显微技术的引入。它使得合成、固定高密度的数以万计的探针分子 切实可行,而且可以借助激光共聚焦显微扫描技术对杂交信号进行实 时、灵敏、准确的检测和分析。现在全世界已有十多家公司专门从事 基因芯片的研究和开发工作,且已有较为成型的产品和设备问世,主 要代表为美国Affymetrix公司。该公司聚集了多位计算机、数学和分 子生物学专家,每年的研究经费在一千万美元以上,且已历时六七年 之久,拥有多项专利。

  基因芯片技术由于同时将大量探针固定于支持物上,所以可以一 次性对样品大量序列进行检测和分析,从而解决了传统核酸印迹杂交 技术操作繁杂、自动化程度低、操作序列数量少、检测效率低等问题。 而且,通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具 有多种不同的应用价值,如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、 基因组文库作图及杂交测序等。

  生物芯片普及以后,不管我们在世界上任何地方,比如说在家里 面,在出差或旅行时,都可以对我们所处的周围环境或者我们自己随 时进行采样,比如尿液、唾液、水、空气,分析完以后,通过卫星传 输系统,传输到世界上任何地方,比如到专家或家庭医生那里。他们 把结果进行分析,然后反馈回来,告诉我们当地的水是干净的还是脏 的,我们的健康情况是好的还是差的,都很清楚。基因芯片的出现会 带动医学网络系统的出现。

  生物芯片会促进远程医疗的发展。这在美国已经出现了。如果一 个医生在非洲,那么他能否对中国的患者进行手术?可以。医生可以 在非洲进行遥控,通过卫星传输系统进入执行手术室,对患者进行手 术。每一个患者都有一个非常完全的病史,但他的病历可能分布在全 国各地,或者世界各地,医生不太容易了解。如果有一种公司,把每 个人的病历全部收集起来,翻译成各种文字,每个人带着密码,只要 可以上网的地方,就可以打开病历,这样将非常便利。医疗保险系统 也一样。当前的因特网应用没有饱和,会有新方式不断出现。

国际正在形成产业潮流

  生物芯片商机无限,从生物芯片的应用上看,每一个领域,都可 以形成一个新公司或新的增长点。

  比如疾病诊断、发病机理、药理基因组学上的研究,一个人发病, 到底得了什么病?用生物芯片诊断一下,在几分钟之内就会出结果。 能否在疾病发生以前就预测到呢?这就是预防医学,我们把所有人的 基因全部放到芯片上,从各个时期,从无病到发病期进行监控,把图 像输入分析器。疾病普查的时候,病人把样品交给医生,医生会把样 品的情况跟计算机中存储的各种图进行查询匹配,预测一下有没有得 病的可能,如果会得,得的是什么病。匹配下来,就可以提前防治。 这是每个人所希望的。俄亥俄州立大学的科学家罗伯特·米勒博士在 生物医学纳米技术2000年会议上说:“我们已准备用机器人把我们设 计的一种芯片植入到实验动物体内。”米勒预计未来5年内生物芯片就 会在人类体内开始临床试验。

  米勒博士成功地使用机器人给60个病人进行了动脉移植手术,米 勒还预期未来使用相同的技术可以精确地将微芯片放置到器官或血管 当中,然后微芯片释放药物或刺激干细胞进行自我修复。

  以后看病的时候,医生可以刷卡,就可以告诉你是属于什么样的 人群,基因有什么样的特征;哪些药物可以吃,哪些药物不可以吃; 有些药物吃了以后,你会不会有很大的反应,或者没有反应。这样, 治疗就有非常好的效果了。

  还有就是制药行业。我国对新药的开发非常重视。生物芯片中有 一种叫药物合成芯片,它非常小,但上面有几百个“小工厂”,每个 “小工厂”里面可以对我们从来没有遇到过的、自然界不存在的化合 物进行合成,也就是组合化学的方法。通过这样的方式,在芯片上可 以合成各式各样的数不清的化合物,通过药物筛选系统,对这些化合 物进行筛选,看哪些化合物可以作为药物的分子来使用。比如说一个 癌细胞,在没有给药以前是绿色的荧光,给了药以后,如果对癌细胞 有很大的杀伤作用,激光上去,细胞的荧光颜色可能变成蓝色。这样, 一种新药就可能产生了。

  我国是农业大国,农作物的育种非常重要。如何在有限的土地上 把农作物的产量和品质都提高?怎么样提高作物的抗旱、抗病虫能力? 怎么可以使味道香,果实大等等?这些都要通过生物芯片系统对作物 基因进行一个一个地筛选。食品卫生也一样,市场上买回来的肉、菜、 饮料是否有过量的农药污染?是否有微生物?是否细菌超标?是不是 已经腐败了?都可以用生物芯片进行检测。生物芯片在外太空探索、 国防方面也很有发展前途。

  做生物芯片的公司有两大类,一类是硬件生产和销售,比如说芯 片本身的生产设计。另外一类公司就是做服务的,他们有生物芯片, 但是不卖,把信息拿到以后,放到网上去,用户缴费以后,可以有偿 使用,这是服务型的公司。

  美国的安捷伦公司、摩托罗拉公司在生物芯片方面已经有产品问 世。

产业化需要耐心

  高新技术产业化需要时间,需要有一定的耐心。现在国际上有一 个趋势,好东西大家都迫切希望最好第二天就出现。但是,不可能发 展那么快。举例来说,我们1994年就做出了样机,又花了两年时间, 做了一套原始模型机以及过渡性的芯片;又花了一年多的时间,才做 出芯片和整套的产品,历时五年多。

  1998年12月,清华大学组建了生物芯片中心,一年以后我们组建 了一个班子,由化学系、生物系、精密仪器和微电子所的教授组成了 研发队伍,在这个基础上,2000年的3月1号,我们开始正式筹建国家 的生物芯片研究中心。我们在生物芯片的研制方面已经做了很多工作。

  这个国家研究中心采取了新的实验的机制,看名字是一个学术机 构,但是从机制来说,是以公司的名义来进行注册和管理,使管理更 加正常化,把技术转化的进程加快。国家计委给中心拨款两个亿,进 行基本建设和购买核心设备。核心设备购买完以后,在国内国外开放 式地有偿使用。项目做完以后,我们要形成知识产权,跟风险基金结 合,组建数个二级公司。同时,如果项目对外公开以后,比如说要进 行农业育种,如果某个公司对这个项目非常看好,愿意在第一时间就 提供资金的投入——这在美国叫直接资助项目——钱来了以后,就可 确定什么样的条件得到什么样的优惠,比如“第一优先选择机会权”。 我们争取把这个公司建成我国开发生物芯片的技术库。上海也马上要 建立一个类似的国家生物工程中心。国内有一些公司已经在生产生物 芯片。这些行为,都有利于促进我国生物芯片产业的发展。

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2001年04月09日 08:35:25  清华新闻网

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