片上實驗室與納米技術

　　片上實驗室與納米技術

　　關于應用納米技術及反應場微小的效果包括：①因擴散而易于產(chǎn)生混合，即反應場體積如為1/10，則擴散時間將縮短為1/100;②提高每單位體積的表面積比，這可望熱的進出及表面-液體間的相互作用(包含催化劑化學反應等)高效化。③提高通道每單位截面積的周長比;由于壁面與液體的粘著力的影響比慣性力增加更大，故通道中的液體易形成層流。

　　目前主要是利用①、②效用研究通道中液體與液體界面化學處理，但如能通過納米表面結(jié)構(gòu)加工等納米技術進行控制，則可望利用②的效用，開發(fā)固體、液體表面反應高效化的反應堆。此外，由于nm級的空間控制可實現(xiàn)微小空間的精密環(huán)境控制，故有可能發(fā)展如設計生物分子之類的制作技術。

　　此外，如考慮到nm大小的蛋白質(zhì)或其集合體(生物分子機械、生物納米機)負有生命的功能，則必須測量單個分子或單分子機械的功能，直接觀察、操作這一測量的技術已在開發(fā)中。

　　片上實驗室對染色體分析的必要性

　　包含人的遺傳基因信息的全部DNA信息(堿基系列)的人類染色體排序已接近完成。人類染色體計劃由于DNA排序技術的顯著進展，將比預定期限更短成功實現(xiàn)(圖1)。人類已處于后染色體時代的起點。

　　圖1 DNA排序(序列確定)線路圖

　　即使在后染色體時代，染色體及DNA分析仍然重要。分析每個人染色體信息差異的SNP分析，分析比較人以外生命的染色體信息來深刻理解生命現(xiàn)象的比較染色體學等，都必須由龐大的樣本和信息進行歸納或演繹分析，因此，更高速的DNA排序技術將是不可缺少的。近年來大受重視的按染色體制藥實現(xiàn)的定制式醫(yī)療，就需要各個人的染色體分析。

　　人染色體有約32億個堿基，1000人的染色體信息就會有3T個(T=1012)堿基，地球規(guī)模計人染色體信息將是18E(E=1018)的天文數(shù)字。要獲得這樣龐大的信息現(xiàn)有技術將受到限制，只有前所未有的嶄新技術才有望在后染色體排序時代發(fā)揮極為重要的作用。

　　作為把握下一代技術開發(fā)關鍵的基礎技術，基于半導體技術的微納米技術與提取生命信息的濕化學技術的結(jié)合、陣列排布和集成最為重要，片上實驗室在目的及技術方面將是所追求的，也必將應用于染色體分析。在這一背景下，便出現(xiàn)了應用細微加工技術的DNA芯片及電泳芯片等獨特的微芯片DNA分析技術。

　　DNA芯片與微陣列

　　DNA芯片是把序列各異的許多(幾千至數(shù)萬種)DNA片斷排列固定在玻璃或硅基片上，以預先用螢光試劑標準化的DNA樣本擦該芯片，利用作成DNA互補的雙層螺旋狀的性質(zhì)，用激光束檢測樣本DNA與DNA芯片上的某種DNA是否產(chǎn)生相互作用(雜混)。

　　DNA在芯片上的固定大致分為化學結(jié)合型和定位型兩類。通常，把化學結(jié)合型叫做DNA芯片，而把定位型叫做微陣列。

　　DNA芯片及微陣列最重要的應用領域是遺傳基因的顯現(xiàn)分析。在人染色全中，遺傳基因總共有3"4萬種，其中實際起作用(顯現(xiàn))的遺傳基因只有一部分，而且不同的細胞其顯現(xiàn)遺傳基因不一樣。比如，比較癌細胞與正常細胞，若研究癌細胞中經(jīng)常顯現(xiàn)的遺傳基因或不顯現(xiàn)的遺傳基因，其中就應該有把握致癌機理關鍵并成為治療對象的遺傳基因。若知道遺傳基因，便可望大規(guī)模進行疾患的診斷和治療了。

　　遺傳基因顯現(xiàn)分析情況下，要知道遺傳基因的顯現(xiàn)，必須知道顯現(xiàn)生成的RNA(傳遞核糖核酸)。首先從細胞中取出mRNA，利用逆復寫反應配制加入了螢光標識的目標cDNA(互補DNA)。將該cDNA雜混在微陣列中，使可用螢光成像分析器檢測出來。例如，根據(jù)人癌細胞與正常細胞的微陣列分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)兩種細胞間遺傳基因顯現(xiàn)量的不同，通過對它們的數(shù)據(jù)庫檢索，便能發(fā)現(xiàn)癌細胞中經(jīng)常顯現(xiàn)的遺傳基因。

　　微芯片電泳

　　DNA的排序方法一般采用圣伽法。圣伽法中DNA片斷的分離最初通過平板型聚丙烯酰胺凝膠電泳實現(xiàn)。它是在兩塊玻璃板間用凝膠作隔離物。但是在人染色體計劃中，取代該分離法利用毛細管電泳進行處理，實現(xiàn)了處理速度的飛躍提高。

　　現(xiàn)在還開發(fā)了在微芯片上的通道中實現(xiàn)染色體排序的技術，證明20分鐘即能實現(xiàn)每個通道中解讀600堿基的遺傳信息。此種微芯片排序器能達到現(xiàn)有DNA分析設備1000倍以上的高速度，是一種極具魅力的新技術。

　　圖2 微片上的電泳模式圖(左)與在DNA的芯片上的成像圖(右)

　　圖2示出微芯片電泳的概念。首先，在所有流路及各貯液槽(圖2中a凝膠貯液槽)中注入泳動緩沖液。其后在樣本貯液槽中加入樣本，如圖2(b)加上電壓，在幾十秒內(nèi)樣本DNA將均勻充滿樣本引入流路。然后如切換所加電壓(圖2(c))，存在于流路接頭部的一定量的樣本將移動到分離流路，利用電泳進行分離、檢測。此時，由于留在樣本引入流路內(nèi)的剩余樣本遠離流路接頭部，對外部的貯液槽仍加正電壓，如圖2(d)。[!--empirenews.page--]

　　圖2右邊是使用了3種DNA混合溶液對該樣本引入情況的成像。在樣本引入1秒鐘后DNA呈極尖銳的的帶狀進入分離通道，到6秒鐘后便看到3種DNA帶狀物開始分離，由于這種樣本引入法的采用，與毛細管電泳不一樣，能達到定量的樣本引入。

　　DNA單分子分析的挑戰(zhàn)

　　利用微芯片電泳之各種方法雖能進行DNA排序的高速化，但如考慮將來染色體醫(yī)療等后染色體研究(參見圖1)，必須有提取龐大達E級的堿基序列信息的排序技術。為實現(xiàn)DNA排序的全新高速化，正在挑戰(zhàn)DNA單分子分析，目前雖在研究階段，但研究甚為活躍。試舉意味深品的一例。

　　據(jù)哈佛大學的Branton等稱，已試驗過DNA單分子通過納米的排序，由D-溶血素葡萄球菌的蛋白質(zhì)毒素)自身作用形成直徑1.4nm的納米孔，在具有此種納米孔通道的脂質(zhì)雙層膜兩邊加電壓，此時電解質(zhì)在溶液中溶解，由于通過納米孔的離子傳導，便有微微安級電流流過。當帶負電的DNA分子被拉向陽極時，堵塞了作為離子通道的納米孔，離子傳導受到限制，從而檢測出電流值的改變。

　　根據(jù)通過的堿基種類A、T、C、G產(chǎn)生的電流值變化，便可實現(xiàn)排序。由于DNA分子的毫秒級通過納米孔，基實現(xiàn)就可能達到高速排序。迄今已在聚腺嘌呤與聚胞嘧啶之間發(fā)現(xiàn)了電流值變化的差異。但為了排序，還需要靈敏度更高的檢測器等，尚有許多必須改進之處。

　　走向高度集成系統(tǒng)

　　所介紹的電泳芯片已開始有設備出售了，微芯片技術為了更大提高處理能力，正在發(fā)展成為把從細胞的DNA提取、PCR(聚合酶連鎖反應)等反應、電泳、雜混、激光誘發(fā)螢光檢測、電化學檢測、熱透鏡顯微鏡檢測等染色體分析所必需的所有基本處理，集成到幾平方厘米的微芯片上的集成型微芯片。

　　而且，隨著集成化技術的急速進步，細微加工將從微米領域轉(zhuǎn)向納米領域。代替過去用作DNA分離媒體的凝膠和聚合物，而把采用納米細微加工技術作成的納米柱配置在微通道中，實現(xiàn)不同凝膠或聚合物的DNA及蛋白質(zhì)的分離，開發(fā)出微芯片上具有各種納米結(jié)構(gòu)的器件，并實現(xiàn)極微量或單分子DNA或蛋白質(zhì)提取、放大、排序、多項檢測等集成化超高速分析技術。這樣的納米芯片技術也在進行研究。

　　DNA分析中各種處理迄今都進行了高速化的研究，但通過把所有處理微化、集成在同一芯片上，由于能激劇縮短各處理花費的時間，便可望使整個過程大大高速化，這才將真正進化到“片上實驗室”。