基因芯片技術在生物研究中的應用進展

李筱樂

在高中生物基因工程的學習過程中，經常會提到基因芯片的發展，基因芯片是生物高科技發展的產物，是一項高新技術，在基因工程方面得到了廣泛的應用，基因芯片為基因表達、基因重組方面做出了重要的貢獻。本篇文章闡述基因芯片技術在生物研究中的應用進展，同時介紹基因芯片的未來發展方向。

基因芯片技術是將已知序列的核酸片段進行固定，組成的一系列有次序的核酸片段，利用熒光標記法將已知片段標記，然后利用基因雜交技術，將已知的核酸片段與未知的核酸片段進行雜交，然后通過熒光標記的部位推測未知核酸片段序列，從而得知核酸樣品的具體信息。基因芯片可以在有限的實驗次數內迅速地獲得樣品的基因變化規律，利用基因芯片進行測序，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

基因芯片也稱為DNA芯片，是生物芯片發展的核心技術。基因芯片最先出現于美國，其具有高效、準確的特點，基因芯片是在基因的基礎上進行操控，是利用基因探針技術以及核酸雜交技術對核酸樣品序列進行準確分析的一項技術。基因芯片可以分為很多種，將有機基質作為載體的稱為有機基因芯片，將無機基質作為載體的稱為無機基因芯片;同時，基因芯片還有不同的功能，其中包括核酸序列測序，基因差異表達等。

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，將已知序列的核酸片段固定在物體上，成為基因探針，同時利用堿基互補配對原則和熒光標記法，將被標記的基因探針與待測的核酸片段進行雜交，通過檢測熒光信號的有無，測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，根據電極的特點，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芯片。

1.3.2 直接點樣法

直接點樣法與原位合成法相比，具有一定的優勢，直接點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，其步驟簡單，不僅可以制造基因芯片，還可以制造蛋白質芯片，就是操作過程較為復雜，對專業知識的需求量大。

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發展的主要因素。此外，比如探針對雜交體的穩定性也會影響到基因芯片技術的發展，環境對于基因芯片的影響還有待挖掘，這需要進一步的掌握生化性質，從根本是掌握芯片的應用規律。此外，基因芯片檢測的靈敏度不夠高，在檢測中操作較為復雜，這也是生物領域工作者應該改進并研究的重要內容。

2 基因芯片在生物研究中的具體應用

2.1 可以用來對基因表達進行分析

生物的致病基因的表達與生物的階段發育有關，生物的不同階段，其致病基因的表達情況不同;同時，致病基因又受到病原微生物的影響。致病基因的表達情況需要利用基因芯片來獲得，還可以根據基因的表達情況來推測基因的功能以及致病的機理。相關研究者對萊姆病原菌在不同環境下的基因表達情況做了詳細研究，根據實驗發現，將萊姆病原菌放入新環境中，萊姆病原菌為了適應環境的改變，會在極短的時間內做出改變，當其適應之后，萊姆病原菌的基因表達情況便會穩定不便。由此可以看出，病原微生物能夠在短期內適應環境的變化，這也是病原微生物抗藥性的原因之一。

2.2 基因芯片可以進行DNA測序

DNA測序是指通過運用相關的生物技術，從而得知脫氧核苷酸的排列順序。基因芯片技術在DNA測序上獲得了巨大的成就。其憑借高效性與準確性，能夠準確的DNA進行測序，具有很大的發展空間。利用基因芯片進行測序的準確率極高，將已知基因序列的基因探針與待測的樣品進行雜交，兩者的匹配度高，則其雜交信號就高。基因芯片在測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行測序的效率有著明顯的提高。我國的基因芯片也得到了有效地發展，在生物領悟的成就非凡。

2.3 為新基因的發展奠定基礎

基因芯片技術得到廣泛的應用之后，為我國的生物工作者提供了一定的思路去研究新基因，隨著對基因組的不斷研究，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良好的基礎。在以往的研究過程中，工作者還無法解釋生物生理過程中基因相互作用的問題。基因芯片技術的出現，為解決這一難題提供了可能。從事生物研究的相關人員利用基因芯片技術，經過篩選，從而發現了果蠅差異表達基因，在此基礎上，還發現了很多相關的新基因。這是我國生物研究的一大成就。此外，松材線蟲的出現，是我國生態環境面臨的一項巨大挑戰，我國相關研究醫學、者已經對松材線蟲的基因進行了測序，已經研究掌握了松材線蟲的致病基因，能夠有效地防止松材線蟲引起的災害。

2.4 基因芯片在農業上的應用

基因芯片受到個各個國家、各個行業的關注，基因芯片技術的的發展成為生物芯片發展的最重要的課題，目前的基因芯片憑借高通量的檢測能力，成為研究植物基因的重要技術，已經廣泛的運用于植物生理、植物抗逆境生長、病蟲害檢測、轉基因植物研發等多個方面，在農業的領悟取得了巨大的成就。就轉基因技術來說，基因芯片具有一定的高效性，可以同時檢測多種基因，可以同時準確的辨別啟動子，可以簡單、迅速并且準確的檢測轉基因的農產品，此外，基因芯片的出現還能夠提高檢查轉基因農產品的靈敏度。

2.5 基因芯片在生物醫學方面的應用

可以利用基因芯片檢測基因的表達方式以及基因的功能，從而查找到致病基因以及致病的機理。包括腫瘤在內的許多疾病都是由于致病因子刺激基因的內部結構，從而引起基因結構或者基因序列的改變。因此，利用基因芯片來對不同的基因進行檢查，從基因的程度上對致病因素進行調控，對病人進行及時的救治，可以改善病情或者阻礙病情的再次發生。同時，還可以利用基因芯片技術篩選出中藥中的有效成分，掌握藥物中有效藥物的分子機理，力求能夠從基因的水平上解釋治病的機理，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。

2.6 利用基因芯片技術繪制圖譜

利用基因芯片技術繪制生物所需的基因圖譜。我國著名的生物學家張新建，利用基因芯片技術研究掌握了水稻白葉枯病菌侵染的整個過程，同時他分析了水稻的基因表達圖譜，發現在水稻基因表達的過程中，有五個基因發生了明顯的變化。同時我國的生物學家趙寶存利用新芯片技術，發現了小麥基因表達的差異性，并研制出小麥基因差異表達的圖譜，為相關人員的提供了技術上的參考，為我國相關行業的發展奠定了基礎。

3 結束語

基因芯片能夠快速的分析生物基因表達的具體信息，在生命科學的領域中發揮著巨大的作用。基因芯片從最初被研發到現在只經過了短短十幾年，但是基因芯片技術的發展飛速，同時，基因芯片技術對生命科學未來的發展有著重要的意義。基因芯片可以分析出基因的具體功能，基因芯片技術的發展是生物界發現的必然趨勢，基因芯片技術將會在生物的各個行業中發揮巨大的作用，加快我國醫學、農業等相關各個行業的發展進程。基因芯片技術雖然存在一定的不足，但是并不能否定基因芯片對各個領域所做出的貢獻，DNA測序以及其他基因方面的研究，都是在基因芯片技術的基礎上進行研發的。

（作者單位：西安交通大學附屬中學航天學校）