第七章生物信息学与生物芯片技术..
生物信息学中的生物芯片和序列分析
生物信息学中的生物芯片和序列分析随着基因测序技术的不断发展，生物信息学越来越受到广泛关注。
在生物信息学领域中，生物芯片和序列分析是两个重要的研究方向，它们能够帮助我们深入了解生命的奥秘。
生物芯片生物芯片是一种高通量检测技术，它可以在一张芯片上同时检测数千到数百万个基因或蛋白质。
生物芯片可以快速、精准地检测特定基因或蛋白质的表达水平，从而为基因功能和疾病研究提供了强有力的工具。
生物芯片的主要分为两类：基因芯片和蛋白质芯片。
基因芯片可以检测同一物种所有基因的表达情况，可以用于基因分类、基因表达、基因功能等方面的研究。
蛋白质芯片则可以检测蛋白质的表达水平和相互作用，可以用于研究蛋白质的结构、功能和相互作用。
生物芯片技术的发展为疾病的诊断和治疗提供了新的思路。
针对慢性病和癌症等疾病，生物芯片技术可以通过检测患者的基因表达水平、突变等信息，为临床医生提供更为准确的诊断和治疗方案。
序列分析序列分析是生物信息学中的另一个核心技术，它是通过对DNA、RNA或蛋白质序列进行比对和分析，来研究它们的结构、功能和进化规律。
序列分析的主要任务有以下几个方面：1）序列比对 - 比较两个或多个序列的相似性和差异性，发现序列之间的模式和特征；2）序列注释 - 针对已知序列进行功能注释，预测新序列的功能；3）序列分类 - 基于序列相似性和差异性进行分类和聚类，为生物分类系统的建立提供基础；4）序列进化 - 通过序列比对和分析，推断出序列或物种的进化关系。
近年来，序列分析技术在新药研发、生物制药和转基因等领域得到了广泛应用。
例如，在新药研发中，科学家可以通过对药物靶点的序列分析，预测药物靶点的结构和功能，从而为药物筛选和开发提供方向。
结语生物芯片和序列分析是生物信息学中两个不可缺少的技术，在基因功能和生物进化等方面的研究中具有重要的意义。
随着技术的不断进步和应用范围的不断扩大，它们将为人类深入了解生命科学的奥秘带来更多的惊喜和发现。
C7 基因芯片技术简介
7.2 生物芯片的分类
按载体材料分： • 玻璃芯片：荧光背景低、应用方便，
材料易得，应用最广泛。 • 硅芯片 • 陶瓷芯片
按点样方式分
• 原位合成（ loci-synthetic DNA ）芯片 ：利用半导体光
蚀刻技术原位合成一定长度（~20 bp）的寡核甘酸片段。
• 微阵列（ microarray ） 芯片 ： DNA 直接点样（针点或喷
靶基因样品的标记
• 靶基因样品被标记后，与芯片上的探针分子杂交。
• 荧光标记；生物素和放射性同位素标记
• 双色荧光标记：常用标记物为荧光素Cy3和Cy5 ，分别用来 标记两中不同的样品（如样品和对照）。 • cy3：激发波长550 nm，发绿色荧光。 cy5：激发波长649 nm，发红色荧光。
标记方法
基因芯片技术的发展简史
Southern & Northern Blot
Dot Blot
Macroarray
Microarray
• 1989年，Southern获得在刚性载体表面固定寡聚核苷酸及 杂交法测序的专利 • 1992年， Affymetrix公司成功应用光导向平板印刷技术， 直接在硅片上合成寡核甘酸点阵的高密度芯片，是世界上 第一块原位合成的基因芯片。 • 1997年，美国Stanford大学Brown实验室，制作了世界上 第一张全基因组芯片（含有6116个基因的酵母全基因组芯 片）。
7.5 基因芯片的应用
• • • • • • • • 基因表达分析 基因型及多态分析 杂交测序 核酸和蛋白质相互作用的研究 疾病的诊断与治疗 药物开发 营养与食品卫生领域 环境科学领域
参考书
• 马文丽 等，DNA芯片技术的方法与应用， 广东科技出版社，2002 • 马立人等，生物芯片，化学工业出版社， 1999（第一版）
生物信息学在基因芯片中的应用
生物信息学在基因芯片中的应用
生物信息学是一种研究生物学信息的跨学科领域，其在基因芯片中的应用十分广泛。
基因芯片是一种高通量生物技术，可以同时检测成千上万个基因的表达情况，从而揭示生物体内基因表达的全局变化。
生物信息学在基因芯片中的应用主要包括以下几个方面：
1. 数据预处理和标准化：基因芯片实验所产生的数据量非常庞大，需要进行数据预处理和标准化，以去除实验误差和技术噪声，使数据更加可靠和准确。
生物信息学提供了各种算法和工具，如归一化、筛选、去除离群点等，可以对基因芯片数据进行有效的处理和分析。
2. 数据挖掘和分析：基因芯片实验所产生的数据可以用于发现
新的基因、确定基因与疾病的关联性、预测药物反应等。
生物信息学提供了各种数据挖掘和分析方法，如聚类分析、差异表达分析、通路分析、功能注释等，可以帮助研究人员深入理解基因芯片数据的内在规律和生物学意义。
3. 基因芯片设计和优化：生物信息学可以帮助研究人员设计和
优化基因芯片，从而使其具有更高的灵敏度和特异性。
例如，可以利用生物信息学的方法预测基因座的SNP位点，设计SNP芯片，或者利用RNA序列信息设计基因表达芯片。
总之，生物信息学在基因芯片中的应用已经成为了现代生命科学领域中的重要组成部分，为生命科学研究提供了强有力的工具和方法。
- 1 -。
医学中的生物芯片和生物信息学
医学中的生物芯片和生物信息学生物芯片和生物信息学作为近年来生命科学领域的两项核心技术，被广泛应用于医学领域。
它们不仅拥有着重要的理论研究价值，更是为医学诊断、治疗和预防提供了重要的技术支持。
本文将围绕生物芯片和生物信息学展开讨论。
一、生物芯片生物芯片即基于微电子技术制备的一系列生物学试验芯片，是生物技术应用中的重要手段之一。
在医学领域，生物芯片已被广泛应用于基因诊断、药物筛选、肿瘤研究等多个方面。
其中，基因芯片是生物芯片中应用最为广泛的一种。
基因芯片是一种高通量可变电容器阵列，可以在同一个芯片上同时检测上千个基因表达水平，为医学研究提供了重要的技术支持。
基于基因芯片的基因诊断技术已被广泛应用于癌症、免疫系统疾病等多种疾病的诊断和治疗，极大地推进了医学诊断技术的进步。
除了基因芯片，蛋白芯片、细胞芯片、毒素芯片等生物芯片也在医学领域得到了广泛的应用。
这些芯片的出现不仅扩展了生物芯片在医学领域的应用范围，也为医学研究领域提供了更多的实验手段和技术手段。
二、生物信息学生物信息学是生物学、计算机科学、数学和统计学等学科融合的新兴交叉学科，是研究生物信息数据的存储、分析和解释的学科。
在医学领域，生物信息学可以有效地优化医学诊断、提升疾病治愈率、预防疾病发生。
疾病基因组学是生物信息学在医学领域的研究重点之一。
疾病基因组学研究的是不同人群基因组的遗传变异和与相关疾病的关联性。
通过对大量基因组学数据的分析，可以为医学研究提供指导，提高疾病的治疗效果和预测患病风险。
另外，生物信息学在药物研究以及疾病通路分析中也有很好的应用。
通过生物信息学技术可以较好地分析药物的靶点和机理，同时还可以通过分析疾病通路来发现新的治疗靶点。
三、生物芯片与生物信息学的结合生物芯片和生物信息学是密不可分的。
利用生物芯片分析得到的数据需要通过生物信息学方法进行分析，开发出符合实际情况的模型和算法，最终推动基于大数据分析的医学诊断和治疗技术进一步发展。
第七章生物信息学与生物芯片技术..
4
1995年秋天，在斯坦福大学做博士后的Mark Schena(M.谢纳）等人在Science杂志上发表论文， 第一次成功地应用了基因芯片技术对拟南芥的基因 表达进行了分析。标志着基因芯片进入了广泛应用 的新阶段。
Mark Schena, Dari Shalon, Ronald W. Davis, and Patrick O. Brown. Quantitative Monitoring of Gene Expression Patterns with a Complementary
– 这类芯片的探针往往是PCR的产物，通过点样 方法将探针固定在芯片上，主要用于mRNA 的表达分析。
• 另一类是短的寡核苷酸探针芯片 – 其探针长度为25 mer左右，一般通过在片 （原位）合成方法得到，这类芯片既可用于 mRNA的表达监控，也可以用于核酸序列分 析。
18
根据探针标记方法，基因芯片也可分为两类
44
1、蛋白质研究方面的应用 蛋白质芯片技术目前是蛋白质组学研究中最具
有应用前景的一项技术。 1）氨基酸序列测定（与质谱联用）。 2）差异表达蛋白的筛选鉴定。
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2 研究蛋白质的相互作用
包括蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质RNA相互作用、蛋白质-DNA相互作用
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3、临床方面的应用 蛋白质芯片技术在临床方面有着广泛的应用。尤
在环境保护上，基因芯片也广泛的用途，一方面 可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、 动植物的污染和危害，同时也能够通过大规模的筛选 寻找保护基因，制备防治危害的基因工程药品、或能 够治理污染源的基因产品。
（四）司法
如果建立全国甚至全世界的DNA指纹库，可直接在犯 罪现场对疑犯留下来的头发、唾液、血液、精液等进行 分析，并与DNA指纹库系统进行比较，以快速、准确地 破案。目前，科学家正着手于将生物芯片技术应用于亲 子鉴定中，应用生物芯片后，鉴定精度将大幅提高。
生物信息学和基因芯片PPT讲稿
• 基因芯片的制备中支持物有多种，如玻片、硅片、聚
丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。
片基
钢性片基如玻片、半 导体硅片等
薄膜片基如 NC、 Nylon 膜等
探针固定方式
原位合成（in situ synthesis）
预先合成后点样 (off-chip synthesis)
四、基因芯片的应用
• （一）疾病的诊断与治疗
• 1、遗传病相关基因的定位
• HGP使得许多遗传病的基因得以定位，因此，可以应
用基因芯片技术筛查遗传病，且方便可靠。
• 2、肿瘤诊断
• 已用基因芯片可检测人鼻咽癌、肺癌基因表达谱、肿瘤原
癌基因和抑癌基因的定位。
• 例：人类恶性肿瘤中，约有60%与人类P53抑癌基因的
突变有关，现研究人员研制成功了可检测P53基因所有 编码区错位突变和单碱基缺失突变的基因芯片。
2022/2/26
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• 3、感染性疾病的诊断
• 利用基因芯片对一些感染性的疾病疾病如HIV的诊断现
已成为事实。
• 4、耐药菌株和药敏检测
• 例：据WHO报告，全球每年约有800万的结核病患者，
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• 根据芯片上固定的探针不同，生物芯片包括：
基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯 片，根据原理还有元件型微阵列芯片、通道 型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯 片。
2022/2/26
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生物信息学和基因芯片课件
生物信息学课件-中科院—7-芯片技术
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The illumina technology
Gunderson K L et al. Genome Res. 2004;14:870-877
Decoding process.
Affymetrix®
Stephen P.A. Fodor, Ph.D. Founder, Chairman and Chief Executive Officer Affymetrix, Inc
cDNA Microarray Technology
Two Types of Microarray Technologies
Oligonucleotide Probe cDNA Probe
Slide Types
Microarray manufacture technologies
Affymetrix, Inc.
Circa 1989 - The world's first microarray prototype built using a microscope slide.
Microarrays: The Game Plan
• Use hybridization to measure abundance of mRNA transcripts •Fix ―probes‖ to a solid support •Hybridize labeled samples of mRNA to probes
PM
Chip Cartridge
MM
Probe Set
PM
MM
Probe Pair
《生物信息学课件-探秘基因芯片技术》
生物信息学领域的基因芯片技术是一项令人激动的前沿技术。本课程将带您 深入探索基因芯片的分类、原理、应用以及优势和挑战。
基因芯片技术概述
1 什么是基因芯片技术？
基因芯片是一种能够高通量检测基因表达或基因变异的生物技术。
2 基因芯片的分类
基因芯片可按照不同的设计策略和应用领域进行分类，如表达芯片和 SNP芯片。
基因变异研究
通过基因芯片，可以探索不同个体之间的基因变异， 有助于了解基因与个体特征之间的关系。
基因芯片技术的优势和挑战
优势
基因芯片技术具有高通量、多样性和高效性等 优点，能够提供大量的基因信息。
挑战
基因芯片技术面临着数据解读的挑战，如数据 质量控制、分析方法选择和结果解释等。
基因芯片在医学领域的应用
基因芯片的原理
1
探究基因芯片的工作原理
基因芯片通过DNA杂交的方式，将样本中
DNA杂交和探针设计
2
的DNA与芯片上的探针结合，并通过染色 技术进行检测。
有效的DNA杂交和探针设计是基因芯片技 术成功的关键，包括序列选择和探针长
度等方面的考虑。
用于研究不同生物状态下基因的表达水 平，从而揭示基因功能与生物过程之间的关联。
1 癌症基因诊断
基因芯片可用于检测癌症相关基因的表达和变异，有助于早期诊断和 个体化治疗。
2 药物治疗个体化
通过基因芯片分析患者的基因变异，可以为个体选择最合适的药物治 疗方案。
生物芯片与生物信息学的结合
生物芯片与生物信息学的结合随着科学技术的不断发展，生物芯片和生物信息学成为越来越热门的领域。
这两个领域的结合，不仅可以促进生物医学领域的发展，也可以取得更多的研究成果。
本文将从多个角度探讨生物芯片与生物信息学的结合，及其应用。
一、什么是生物芯片生物芯片是一种集成电路，具有微电子加工技术和生物学实验技术的特点。
它是由微小电极、荧光或平面阵列电极等微型传感器和微处理器等电子元器件构成的。
生物芯片可以用于检测并测定患病的特定生物分子的浓度、种类和标识，从而提供治疗疾病的信息。
因此，生物芯片在临床诊断、疾病研究、药物发现等方面有着广泛的应用前景。
二、什么是生物信息学生物信息学是应用计算机科学和统计学的方法，对生物学数据进行大规模的处理、管理和分析的学科。
它主要包括三个方面的内容：生物序列分析、结构生物学和系统生物学。
生物信息学可以对生物学数据进行高效、准确的分析，从而为生物学研究提供基础支持。
三、生物芯片和生物信息学的结合生物芯片和生物信息学的结合，可以将实验数据进行高效的处理和分析，以实现更深入的生物学研究。
生物芯片可以传感细胞、组织或体液中的生物分子，生成海量的生物学数据，生物信息学则可以对这些数据进行生物学解释和挖掘。
两者结合可以发现和验证潜在的生物标记物，并为药物研发提供便利和好处。
例如，药物筛选可以使用生物芯片进行高通量检测，然后结合生物信息学分析药物和靶向蛋白之间的关系。
这样可以大大提高新药研发的效率和成功率。
四、生物芯片和生物信息学在疾病诊断中的应用生物芯片和生物信息学结合在疾病诊断中的应用呈现了极大的潜力。
通过对基因、蛋白质等生物分子的检测，可以实现早期诊断、个体化治疗和病情监测。
例如，在肿瘤诊断和治疗中，生物芯片可以检测循环肿瘤细胞、微量分子信使RNA等，这些都是非常重要的肿瘤生物标志物。
在临床实践中，生物芯片和生物信息学的结合可以使医生更容易获得有关病情的信息，并根据这些信息为患者制定最佳治疗方案。
《生物芯片技术》课件
细胞芯片可用于药物筛选、毒理学研 究、细胞分型等方面。细胞芯片能够 模拟细胞在体内的环境，为研究细胞 生理和病理过程提供了有力工具。
其他类型生物芯片
总结词
除了基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯 片外，还有组织芯片、免疫芯片等多 种类型的生物芯片。
详细描述
这些生物芯片根据不同的应用需求而 设计，具有各自独特的特点和优势。 它们在生命科学研究、医学诊断和治 疗等领域发挥着重要作用。
《生物芯片技术》课 件
目录
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片的类型与原理 • 生物芯片的制作流程 • 生物芯片技术的应用实例 • 生物芯片技术的挑战与前景 • 相关资源推荐
01 生物芯片技术概述
定义与特点
A
定义
生物芯片技术是一种将生物分子或细胞等生物 样本高密度排列在玻璃、硅等固相支持物上的 微电子技术。
总结词
生物芯片技术可以用于环境污染物和食品中 有毒有害物质的快速检测，保障环境和食品 安全。
详细描述
生物芯片技术能够检测环境中的有毒有害物 质，如重金属、农药残留、工业废水等，以 及食品中的有害物质，如细菌、病毒、农药 残留等。这种快速、准确的检测方法能够及 时发现环境或食品中的安全隐患，保障公众
健康。
新药研发与筛选
总结词
生物芯片技术可以用于高通量药物筛选和化合物活性评 估，有助于加速新药研发进程和提高药物研发成功率。
详细描述
生物芯片技术能够快速检测大量化合物对细胞或组织的 影响，从而筛选出具有潜在活性的药物候选物。这种高 通量筛选方法能够显著降低药物研发成本和时间，提高 药物研发的效率。
环境监测与食品安全
标记物
将探针与荧光物质、酶等标记物结合，以便于后续的信号检测。
生物信息学芯片方案
芯片数据分析和解读
▪ 芯片数据整合
1.数据整合：将不同来源或平台的芯片数据进行整合，提高分析效率。 2.数据挖掘：利用机器学习等方法，挖掘隐藏在数据中的有用信息。
▪ 调控网络分析
1.转录因子预测：通过分析基因表达谱，预测转录因子的调控作用。 2.调控网络构建：基于转录因子预测结果，构建基因调控网络。
生物信息学芯片方案
芯片技术前景展望
芯片技术前景展望
▪ 多组学芯片技术的发展
1.随着基因组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学研究的深入 ，多组学芯片技术将会得到更广泛的应用。 2.多组学芯片技术将会提高疾病诊断的准确性和效率，以及药 物研发的成功率。 3.多组学芯片技术的发展将会促进个体化医疗和精准健康管理 的实现。
生物信息学芯片方案
芯片数据分析和解读
芯片数据分析和解读
▪ 数据预处理
1.数据质量控制：确保数据的准确性和可靠性，为后续分析提供保障。 2.数据规范化：通过标准化处理，消除系统误差和批次效应。 3.数据筛选：根据研究目的，筛选出符合要求的数据进行后续分析。
▪ 基因表达分析
1.差异表达分析：比较不同组别或条件下的基因表达谱，找出差异表达基因。 2.功能富集分析：对差异表达基因进行功能注释和富集分析，揭示其生物学意义。
1.芯片技术可用于SNP检测，分析基因组的遗传变异情况。 2.SNP检测有助于研究人类遗传多样性、疾病易感基因和药物 反应等相关问题。 3.高通量SNP芯片可以大大提高检测效率，为基因组学研究提 供重要工具。
▪ 拷贝数变异（CNV）检测
1.芯片技术可以用于检测基因组中的拷贝数变异情况。 V与许多疾病的发生和发展密切相关，研究CNV有助于深 入了解这些疾病的发病机制。 3.芯片技术为CNV研究提供了高效、准确的检测方法，有助于 疾病的早期诊断和预防。
生物芯片技术
生物芯片技术生物芯片技术是一种基于微电子技术制备的生物分析技术，其主要应用于生命科学和医学领域，具有高通量、高灵敏度、高精度、高速度、自动化和多重分析等优点。
生物芯片可以分为基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯片等多种类型，其制备过程包括芯片设计、探针合成、芯片加工和芯片检测等核心步骤。
在基因芯片应用中，生物芯片技术可以实现全基因组、全转录组和全表观数组的分析，可用于检测基因表达水平、基因突变和DNA甲基化等生物学过程，有助于研究基因调控机制、疾病发生机制和药物作用机理。
在蛋白质芯片应用中，生物芯片技术可用于筛选药物靶点、检测蛋白质相互作用和鉴定肿瘤标志物等，有助于研究蛋白质网络与疾病关系。
在细胞芯片应用中，生物芯片技术可以模拟细胞-细胞和细胞-外界相互作用，研究生物学过程和新药筛选。
随着生物芯片技术的不断发展，其应用领域也在不断扩大。
在医学领域，生物芯片技术可用于疾病诊断、预后分析和指导治疗，例如基因芯片可以用于肿瘤分类和预后评估，蛋白质芯片可以用于心血管疾病和神经系统疾病的诊断和药物筛选。
在农业领域，生物芯片技术可用于作物遗传改良和病虫害防治，例如基因芯片可以用于筛选耐盐、耐旱和耐寒的新品种，也可以用于检测转基因作物的安全性。
在环境领域，生物芯片技术可用于污染物检测和生态系统评估，例如细胞芯片可以用于评估化学品和纳米材料对生物的毒性。
生物芯片技术虽然具有广泛应用前景，但仍面临诸多挑战。
首先，芯片设计和探针合成需要高度专业的技术，制备成本较高。
其次，芯片检测需要高灵敏度和高特异性的仪器，不同类型芯片的检测方法不同。
再者，芯片数据分析需要借助生物信息学、计算机科学和统计学等多学科的知识，数据处理和解释的难度较大。
最后，生物芯片技术的标准化和规范化程度尚不够，不同实验条件和芯片类型的结果比较还具有一定的局限性。
为了克服这些挑战，需要采取一系列措施。
首先，加强跨学科合作和信息共享，促进芯片设计、探针合成、芯片加工和芯片检测技术的不断创新和提高。
生物信息学第七章
• 微阵列的主要应用在于对基因表达问题的研究 • 基因表达数据中包含着基因活动的信息，可以反映细 胞当前的生理状态。通过对该数据矩阵的分析，可以 回答一系列的生物学问题：
– 基因的功能是什么？ – 在不同条件或不同细胞类型中，哪些基因的表达存在差异？ – 在特定条件下，哪些基因的表达发生了显著变化，这些基 因受到哪些基因的调节，或控制哪些基因的表达？ – 微阵列广泛应用的另一个重要原因是为了理解基因网络 （network）或通路（pathway）。
• 首先提出基因芯片所要解决的问题，确定研究目标， 例如，研究基因的SNP。检测或分析DNA的变异或 者进行基因差异表达的研究。 • 根据所要解决的问题，选择一组特定的基因对象。 • 其次，根据所选择的基因序列，设计探针序列以及探 针在芯片上的分布。 • 然后根据设计结果制备基因芯片，制备方法大致分为 在片合成法和点样法。 • 接下来就是对靶基因即待测样品进行扩增和标记 • 然后进行杂交实验，并对基因芯片的杂交结果进行检 测 • 最后根据获得的荧光图谱，进行数据处理分析，报告 检测结果，并将相应的数据存入数据库。
• 靶基因的制备需要运用常规手段从细胞或组织中提取 模板分子，从血液或活组织中获取的DNA/mRNA样 品在标记成为探针以前必须进行扩增提高阅读灵敏度， 但这一过程操作起来却有一定的难度。 • 对于检测表达的芯片，样品制备通常涉及mRNA的纯 化、cDNA的合成、体外转录或者PCR、标记等步骤； • 而对于SNP或者突变的检测，则往往涉及基因组 DNA的纯化和PCR、标记等步骤。 • 待测样品的标记方法有荧光标记法、生物素标记法、 放射性核素标记法等。目前采用的最普遍的荧光标记 方法是通过在扩增过程中加入含有荧光标记的dNTP （至少一种为荧光标记），在转录和复制过程中荧光 标记的单核苷酸分子被引入新合成的DNA片段。
《生物芯片技术介绍》课件
02
生物芯片的种类与制作方法
基因芯片
总结词
基因芯片是利用微阵列技术将大量基因探针固定在硅片、玻 璃片、塑料片或尼龙膜等固相支持物上，再与标记的样品进 行杂交，通过检测杂交信号强度和分布来获取样品分子的数 量和序列信息。
详细描述
基因芯片主要用于基因表达谱分析、基因突变检测、基因组 多态性分析等生物学研究领域。其制作方法包括直接合成法 、原位合成法、显微打印法等。
环境监测与食品安全
01
02
03
环境污染物监测
生物芯片可用于监测环境 中的有害物质，如重金属 、有机污染物等，为环境 保护提供技术支持。
食品安全检测
生物芯片可以快速检测食 品中的有害物质，如农药 残留、兽药残留、毒素等 ，保障食品安全。
转基因食品检测
生物芯片可用于转基因食 品的检测和分析，帮助消 费者了解食品的基因改造 情况。
数据分析与解读
生物芯片产生大量的数据，如 何进行有效的数据分析和解读
是技术挑战之一。
发展前景
临床应用
随着技术的不断进步，生物芯片在临 床诊断、治疗监测等领域的应用前景 广阔。
药物研发
利用生物芯片技术可以高通量筛选药 物候选物，加速药物研发进程。
科学研究
生物芯片在基因组学、蛋白质组学等 领域的研究中发挥重要作用，有助于 深入揭示生命活动的规律。
《生物芯片技术介绍》ppt课 件
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片的种类与制作方法 • 生物芯片技术的应用实例 • 生物芯片技术的挑战与前景
01
生物芯片技术概述
定义与特点
生物芯片技术定义
生物芯片技术是一种将生物分子或细胞等样品高密度排列在固定载体上的微电 子芯片上，通过特定的检测手段对生物分子或细胞进行快速、高通量的检测和 分析的技术。
生物信息学 第七章 基因组信息学
刻胶保护合成法、微流体模板固相合成技术、分子印章多次压印原位合成的方法、
喷印合成法。
实现高密度芯片的标准化和规模化生产。
在片合成法可以发挥微细加工技术的优势，很适合制作大规模DNA探针阵列芯片，
在片(原位)合成法
探针手臂阵列
杂交后发出荧光信号区域
荧光标记靶基因
2、点样法：首先按常规方法制备cDNA（或寡核苷酸）探针库，然后通过特殊的针头和微 喷头, 分别把不同的探针溶液，逐点分配在玻璃、尼龙或者其它固相基底表面上不同位点, 并通过物理和化学的结合使探针被固定于芯片的相应位点。这种方式较灵活，探针片段可
在片合成法制备，用于RNA表达或序列分析 ~30万点/cm2 (光刻法可达百万)，~3万基因
基因芯片制备方法
1、在片(原位)合成法：它通过一组定位模板来决定基片表面上不同化学单体的偶
联位点和次序。 在片合成法制备DNA芯片的关键是高空间分辨率的模板定位技术和固相合成化学
技术的精巧结合。
目前，已有多种模板技术用于基因芯片的在片合成，如光去保护并行合成法、光
contig 1
contig 2
装配软件
▪ 商业软件
1、sequencher, ATGC (PC) 2、TraceTuner/PGA (workstation) 3、SeqMan [Pro] (DNAStar/Lasergene) ▪ 学术免费软件 1、phred/phrap/consed 2、CAP3
▪ 从实验设计到结果分析都离不开生物信息学
18
基因芯片的作用和意义
1. 可研究生命体系中不同部位、不同生长发育阶段的基因表达,比较不同个体或
物种之间的基因表达,比较正常和疾病状态下基因及其表达的差异 2. 有助于研究不同层次的多基因协同作用的生命过程,发现新的基因功能,研究生
生物信息学讲义 第七章 微阵列芯片
第七章 微阵列芯片随着 cDNA 微阵列和寡核苷酸芯片（下文没有特别说明时，统称为 DNA 微阵列）等高通量检测技术的发展，我们可以从全基因组水平定量或定性检测基因转录产物 mRNA 。
在本章中，基因表达数据特指基于 DNA 微阵列实验得到的反映 mRNA 丰度的数据，而不包括基因表达最终产物——蛋白质丰度的数据。
由于生物体中的细胞种类繁多，同时基因表达具有时空特异性，因此，基因表达数据与基因组数据相比，要更为复杂，数据量更大，数据的增长速度更快。
基因表达数据中蕴含着基因活动的信息，可以反映细胞当前的生理状态，例如细胞是处于正常还是恶化状态、药物对肿瘤细胞是否有效等。
对基因表达数据的分析可以获取基因功能和基因表达调控信息，这是生物信息学的重大挑战之一，也是 DNA 微阵列能够在生物医学领域中广泛应用的关键原因之一。
基因表达数据分析的对象是在不同条件下，全部或部分基因的表达数据所构成的数据矩阵。
通过对该数据矩阵的分析，可以回答一些生物学问题，例如，基因的功能是什么？在不同条件或不同细胞类型中，哪些基因的表达存在差异？在特定的条件下，哪些基因的表达发生了显著改变，这些基因受到哪些基因的调节，或者控制哪些基因的表达？哪些基因的表达是细胞状态特异性的，根据它们的行为可以判断细胞的状态（生存、增殖、分化、凋亡、癌变或应激等）等等。
对这些问题的回答，结合其它生物学知识和数据有助于阐明基因的表达调控路径和调控网络。
揭示基因调控路径和网络是生物学和生物信息学共同关注的目标，是系统生物学 (Systems Biology) 研究的核心内容。
目前，对基因表达数据的分析主要是在三个层次上进行： 1 、分析单个基因的表达水平，根据在不同实验条件下，基因表达水平的变化，来判断它的功能，例如，可以根据表达差异的显著性来确定肿瘤分型相关的特异基因。
采用的分析方法有统计学中的假设检验等。
2 、考虑基因组合，将基因分组，研究基因的共同功能、相互作用以及协同调控等。
基于生物信息学的生物芯片技术研究
基于生物信息学的生物芯片技术研究生物芯片技术是一种综合了生物学、化学、计算机科学和物理学等学科知识的交叉学科技术，是将大量生物信息集成到微小的芯片上，并用芯片上的探针监控、检测和分析生物分子的变化过程的技术。
基于生物信息学的生物芯片技术是利用微电子制造技术将生物分子信号转化为电信号进行检测，为生物医学研究和生物工程开发提供可靠的手段。
一、生物芯片技术的发展历程生物芯片技术的发展可以追溯到20世纪70年代，当时利用基因重组技术进行了重组DNA的实验，发现可以通过DNA探针检测目标分子。
20世纪80年代初期，发展出了原位杂交技术，使得DNA探针可用于存储和检测DNA和RNA序列，为芯片技术的发展奠定了基础。
90年代，微电子工艺技术的快速发展让人们可以固定生物分子在芯片上进行定量分析和高通量筛选。
21世纪初，随着生物大数据技术的兴起，生物芯片技术得到了广泛的应用和推广，芯片上的探针种类越来越多，检测的范围越来越广泛，成为目前生物学和生物医学研究的重要手段。
二、基于生物信息学的生物芯片技术的原理基于生物信息学的生物芯片技术是以微电子工艺技术为基础，借助生物学、化学和计算机等学科的知识，构建具有高精度、高灵敏度和高通量的芯片检测系统。
具体来说，生物芯片是一种基于晶体管工艺制造的微型芯片，将上千个微型矩阵装置在芯片上，每个矩阵上固定一种与特定生物分子相互作用的探针，如DNA、RNA、酶和抗体等，探针与样品中的靶分子发生特异性结合反应，通过探针判断反应产物的信号、数量和位置等，从而实现分子检测和定量分析。
三、基于生物信息学的生物芯片技术的应用基于生物信息学的生物芯片技术在生物医学领域的应用尤为广泛。
首先，生物芯片技术可以用于基因组学研究，通过芯片上多种探针检测DNA序列和RNA表达水平，研究基因表达谱和基因功能，发现新的生物标志物和靶点，为疾病的诊断、治疗和预防提供了依据。
其次，生物芯片技术可以用于蛋白质组学研究，通过芯片上多种探针检测蛋白质结构、功能和相互作用，研究蛋白质表达谱和蛋白质功能，发现新的药物靶点和蛋白质相互作用机制，为药物的开发提供了支持。
9.生物芯片技术
• 光导原位合成法（又称显微光蚀刻技术），原理是 在合成碱基单体5′羟基末端链接一个光敏保护基。
• 简要过程：首先使支持物羟基化，并用光敏保护基 团保护起来；选取适当的蔽光膜使需要聚合的部位 透光，其他部分不透光。这样光通过蔽光膜照到支 持物上，受光部位羟基解保护，可与单体分子共价 结合。单体分子一端按传统固相结合方法活化，另 一端受光敏基团保护，所以结合反应后仍带有光敏 保护基。因此，每次通过控制蔽光膜的图案（透光 与不透光）决定哪些区域被活化，以及所用单体的 种类和反应次序，就可以实现在待定位点合成大量 预定序列寡聚体的目的。
“今后，拇指大小的设备就能存下 整个互联网信息” ——乔治· 丘奇
利用组织芯片来模拟器官的生物功能 来取代动物实验
“用芯片再造一个你”
第二节 DNA芯片
DNA芯片是指利用原位合成法或将合成好的 一系列寡核苷酸以预先设定的排列方式固定 在固相支持介质表面（如硅片、玻片或尼龙 膜等），形成高密度的寡核苷酸的阵列，即 DNA探针，与标记的样品根据碱基互补配对的 原则进行杂交，通过检测分析杂交信号的强 度及分布情况，对基因序列及功能进行大规 模、高通量的分析。又称为基因芯片，DNA阵 列。
（三）分子杂交与杂交信号的检测分析
1.分子杂交
DNA芯片上的杂交反应与传统的Southern印迹 杂交方法类似，先封闭、预杂交,再在含有目的基 因的杂交液中杂交3 ～ 24h或更长，然后洗脱、 干燥、检测信号。 杂交反应的条件要根据芯片中DNA片段的长短、 类型和芯片本身的用途来选择。用于基因表达检 测，杂交的严格性较低，而用于突变检测的芯片 的杂交温度高，杂交时间短，条件相对严格。
• 将预先合成好的DNA或cDNA等通过特定的高速点样 机直接点加在芯片载片上，并通过理化方法固定。
生物信息学中的基因芯片技术
生物信息学中的基因芯片技术生物信息学是一门集生物学、计算机技术和统计学于一体的交叉学科，旨在研究生物系统的复杂性和结构、功能、进化等方面的问题。
而基因芯片技术则是生物信息学研究的核心之一。
本文将从生物信息学的角度介绍基因芯片技术的原理、应用和未来发展方向。
基因芯片是一种基于DNA分子杂交技术的高通量检测平台。
它基于DNA的互补配对原理，通过制造一张印刷着上万至百万个DNA探针的芯片，将目标DNA分子与探针进行杂交反应，从而获得大量有关基因表达、变异、调控等信息。
一般来说，基因芯片技术的流程包括制备芯片、提取RNA或DNA、标记RNA或DNA、孵育芯片、扫描并分析数据等步骤。
与传统的单基因检测方法相比，基因芯片具有检测范围广、筛选速度快、结果可重复性好等优点。
基因芯片技术在生命科学领域被广泛应用。
在基因组学研究中，它可以在三个层次上发挥作用：全基因组水平、外显子水平和亚基因组水平。
首先，基因芯片技术可以用于全基因组水平的基因表达谱研究。
比如，可以通过对不同组织、不同生长阶段、不同环境下的植物进行基因芯片检测，分析其中大量基因的表达情况，从而了解种植物在不同生境中如何适应环境、发育成长等。
其次，基因芯片技术还可以用于外显子水平的突变检测，从而确定某种癌症或其他遗传疾病的基因突变。
最后，基因芯片技术还可以用于亚基因组水平的某些基因功能分析，比如DNA甲基化、组蛋白修饰等方面的研究。
虽然基因芯片的应用领域甚广，但其技术仍然存在一些问题。
首先，目前市面上的芯片多以人类、鼠、果蝇、拟南芥等模式生物为研究对象，而对于其他生物种类的芯片研制相对较少。
这导致了其他生物学领域对于基因芯片技术的应用难以开展。
其次，基因芯片技术在部分情况下会发生杂交信号不特异或低特异性信号等问题，会导致结果出现誤差或噪音。
因此，设计合适的实验对照组和过滤措施非常重要。
最后，基因芯片技术存在着高昂成本、专业化程度高、数据分析门槛高等问题。
生物信息学中的生物芯片技术
生物信息学中的生物芯片技术随着人们对基因组和蛋白质组的研究深入，生物芯片技术成为生物信息学重要的研究手段之一。
生物芯片技术是一项高通量的方法，能够同时检测数千到数百万个基因或蛋白质的表达或变化情况，广泛应用于生物医学、农业、环境、能源等领域，成为生物信息学研究中的热门话题。
一、生物芯片的发展历程生物芯片是用微电子制造工艺在一块小小的芯片上印刷上数千到数百万个生物分子的探针，用于进行高通量样本分析的技术。
在1990年代初，美国加州大学的霍华德·欧德曼首次提出了微阵列技术的概念，开创了生物芯片的发展历程。
2001年，人类基因组计划完成后，基因芯片成为全球生命科学领域研究的重点。
目前，生物芯片已经广泛应用于基因表达分析、蛋白质相互作用分析、基因突变检测、DNA测序、诊断试剂开发等领域。
二、生物芯片技术的种类目前，生物芯片技术主要分为基因芯片和蛋白质芯片两类。
（一）基因芯片基因芯片是通过将大量的DNA序列借助微电子制造技术印加在芯片上，以实现高通量的基因表达谱分析和突变检测。
据此，可以对基因的表达量、结构和功能以及基因的调节机制等进行全面的研究。
基因芯片技术在疾病基因检测、药物筛选、基因工程等领域也具有重要的应用价值。
（二）蛋白质芯片蛋白质芯片是在芯片上印制大量的蛋白质分子，用于检测蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质结构和功能等方面的研究。
与基因芯片相比，蛋白质芯片技术具有更高的灵敏度和特异性，能够检测纯化后的蛋白质，有助于深入研究蛋白质的功能和相互作用。
三、生物芯片技术的优势和局限生物芯片技术具有高通量、经济、高灵敏度和高速度等优势，并且可以同时监测多个样品和指标，广泛应用于生物研究领域。
但是，生物芯片技术也存在许多局限性，如技术的复杂度、样品的准备、数据的处理等方面存在挑战。
此外，生物芯片的互补性匹配、非特异性结合、探针偏移等问题也需要进一步解决。
四、生物芯片技术在生命科学中的应用生物芯片技术已经成为生命科学中的热门话题，并在许多领域得到广泛应用。
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5 生物芯片:是将生物分子(寡聚核苷酸、cDNA、 基因组DNA、多肽、抗原、抗体等) 固定于硅片、 玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形 成的生物分子点阵。
生物芯片技术是生命科学研究中继基因克隆
技术、基因自动测序技术、PCR 技术后的又
标。 • 根据所选择的基因序列，设计探针阵列，
确定每个探针以及探针在芯片上的排列。
17
• 根据探针的类型和长度，基因芯片可分为两类。 • 其中一类是较长的DNA探针（100mer）芯片 –这类芯片的探针往往是PCR的产物，通过点样 方法将探针固定在芯片上，主要用于mRNA的
表达分析。
• 另一类是短的寡核苷酸探针芯片
44 1、蛋白质研究方面的应用 蛋白质芯片技术目前是蛋白质组学研究中最具 有应用前景的一项技术。 1）氨基酸序列测定（与质谱联用）。 2）差异表达蛋白的筛选鉴定。
45 2 研究蛋白质的相互作用
包括蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质-RNA 相互作用、蛋白质-DNA相互作用
46 3、临床方面的应用 蛋白质芯片技术在临床方面有着广泛的应用。尤
亮氨酸链
弹性蛋白 模拟物
43
二、蛋白质芯片的应用
蛋白质芯片技术具有快速、并行、自动化和高通 量的特点, 它能同时对全基因组水平的上千种不同 蛋白质进行分析, 是蛋白质组研究的重要手段。目
前已经广泛应用于蛋白质表达谱的分析、蛋白质功 能及蛋白质-蛋白质间相互作用的研究、临床疾病 (如肿瘤等) 的诊断和疗效评价、药物新靶点的筛选 和新药的研制等各个领域。
（三）环境保护
在环境保护上，基因芯片也广泛的用途，一方面 可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、 动植物的污染和危害，同时也能够通过大规模的筛选 寻找保护基因，制备防治危害的基因工程药品、或能 够治理污染源的基因产品。
（四）司法
如果建立全国甚至全世界的DNA指纹库，可直接在犯 罪现场对疑犯留下来的头发、唾液、血液、精液等进行 分析，并与DNA指纹库系统进行比较，以快速、准确地 破案。目前，科学家正着手于将生物芯片技术应用于亲 子鉴定中，应用生物芯片后，鉴定精度将大幅提高。
Affymetrix公司（昂飞） 由美国著名科学家斯蒂文•弗尔多博 士(Stephen Fodor)在1992年创办,总部位于美国加利福尼亚州 硅谷。公司于1996年在美国纳斯达克(NASDAQ)上市。公司在加 州首府Sacramento、Emeryville、波士顿、英国伦敦、日本东 京、新加坡都设有分部。 昂飞是生物芯片产业的先驱，公司长期与美国国立卫生研究院、 斯坦福大学、麻省理工、哈佛、耶鲁、加州大学伯克利等世界 知名院校和研究所合作,在生物芯片行业中始终处于国际领先
性。
单核苷酸多态性（SNP)：是指基因组内特定 核苷酸位置上存在两种不同的碱基，其中最 小一种在群体中的频率不小于1％。
人-3％0.1％序列变化—1％---改变蛋白质功能—900 个基因产物不同。与生物进化历程、种族关系、疾病 发生相关。
32
4、基因表达分析
• 基因表达是以基因的DNA为模板进行mRNA转录和蛋白质 翻译合成的过程，各种基因的表达存在差异，一种组 织中不同基因表达水平的差异可达1万倍。功能基因研 究的一种重要的方法就是采用高通量基因表达检测技 术，全面分析基因的表达水平，了解基因的功能。
37
尽管还存在许多问题, 2000年秋天, Schreiber小组展示了他们可以制造高密度 蛋白质芯片并且保持蛋白质成键能力的技
术。
一、蛋白质芯片基本原理
蛋白芯片技术的基本原理是将各种 蛋白质有序地固定于滴定板、滤膜和载 蛋白质固定 （探针）
38
玻片等各种载体上成为检测用的芯片；
然后，用标记了特定荧光抗体的蛋白质 或其他成分与芯片作用，经漂洗将未能 杂交
地位。
12
博奥生物
/ 中国最好的芯片公司
13
14
mRNA表达谱芯片服务内容：39个物种
15
上海伯豪生物
/
二、基因芯片工作基本步骤 （一）基因芯片设计
16
•
提出基因芯片要解决的问题，确定研究目
33
34
5、寻找新基因
在缺乏任何序列信息的条件下，基因芯片也可用于基因发 现。如HME基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技 术发现的。 目前，大量涌现的人类ESTs给cDNA微阵列提供了丰富的序 列资源，数据库中ESTs代表了人类基因，因此ESTs微阵列可 在缺乏其它序列信息的条件下用于基因发现和基因表达检测，
从而加快人类基因组功能分析的进程。
§7.2 蛋白质芯片原理与应用
36
蛋白质芯片的提出
•DNA芯片的成功证明了生物芯片是可行的 DNA芯片对医学与生物学研究产生了巨大影响 DNA芯片成为研究活体基因组的强有力工具 •DNA芯片不能作为蛋白质检测的直接依据 mRNA与蛋白质表达水平不直接相关 •蛋白质组计划需要一种新的蛋白质分析技术
常规：1）杂交时间长4-24h
2）样品处理数量少（1-几个）
22
（四）杂交信号检测
• 对于用荧光素标记经扩增（也可用其他放大技术）
的序列或样品，与芯片上的探针进行杂交，然后 冲洗，采集荧光图像。 • 图像的采集用荧光显微镜、激光共聚焦显微镜、 激光扫描仪、半导体传感器等进行。
三、生物信息学在基因芯片中的应用
20
（三）样品制备及芯片杂交
根据基因芯片的检测目的不同,可以把样品制备 方法分为：
1）用于表达谱测量的mRNA样品制备
2）用于多态性(或突变)研究的基因样品的制备
21 杂交： 检测过程平行化，可以同时检测成百上千的
基因序列，而且由于集成的显微化，使得杂交所
需的探针及待检测样品均大为减少，杂交时间明 显缩短，一般的分子杂交过程可在30分钟内完成。
是通过杂交检测信息。
• 基因芯片把大量已知序列探针集成在同一个基片
上，经过标记的若干靶核酸序列通过与芯片特定 位置上的探针杂交,便可根据碱基互补匹配的原 理确定靶基因的序列。
9 DNA微阵列（microarray）
10
11
美国昂飞公司
/estore/
19
在片合成法是基于组合化学的合成原理。在 片合成法制备DNA芯片的关键是高空间分辨率的 模板定位技术和固相合成化学技术的精巧结合。 •另一种方法是点样法
首先按常规方法制备cDNA（或寡核苷酸）探 针库，然后通过特殊的针头或微喷头, 分别把不 同的探针溶液，逐点分配在固相基底表面上的不 同位点,并通过物理或化学的结合使探针被固定 于芯片的相应位点。
第七章 生物信息学 与生物芯片
2
主要内容 §7.1 基因芯片原理与应用 §7.2 蛋白质芯片原理与应用
3
生物芯片技术是20世纪90年代中期以来影响
最深远的重ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ科技进展之一，是融微电子学、
生物学、物理学、化学、计算机科学为一体
的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究 价值，又具有明显的产业化前景。
4
一次革命性技术突破。
6
基因芯片
生物芯片
蛋白质芯片
生物芯片的特点： 1）高度集成
2）微型化
3）自动化 4）快速
§7.1 基因芯片原理与应用
一、基因芯片基本原理 • 基因芯片（gene chip），又称DNA微阵列 （microarray），是由大量DNA或寡核苷酸探针
8
密集排列所形成的探针阵列，其工作的基本原理
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蛋白质活性保持
在制备芯片过程中,为了保证被固定在载体上的
蛋白质依然保持天然的构象和生物学活性,他们在蛋 白质点样的磷酸缓冲液（PBS)中加入40 %的甘油, 以防止因液体的蒸发而造成的蛋白质变性。
42
蛋白质固定
化学表面型蛋白质芯 片和生物表面型蛋白 质芯片。化学表面芯 片又可分为疏水型、 亲水型、弱阳离子、 强阴离子、金属离子 螯合、特异结合等， 以适用检测不同情况 下蛋白表达。生物表 面芯片人又可分为抗 原-抗体、受体-配体、 DNA－蛋白质、酶等 芯片。
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• 生物信息学在基因芯片中的应用主要体现在三 个方面: –确定芯片检测目标 –芯片设计 –实验数据管理与分析
四、基因芯片的应用 （一）药物筛选和新药开发
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由于所有药物（或兽药）都是直接或间接地通过修饰、
改变人类（或相关动物）基因的表达及表达产物的功能 而生效，而芯片技术具有高通量、大规模、平行性地分 析基因表达的能力，在药物筛选方面具有巨大的优势。 用芯片作大规模的筛选研究可以省略大量的动物试验甚 至临床，缩短药物筛选所用时间，提高效率，降低风险。
外均相同并与参考序列互补。
• 另一种方法是对于目标序列上已知的突变点，分别设计四组 探针，其中每一组探针分别检测一种核苷酸替换。同一组中的 各个探针长度相同，相互之间交叠，并且每个探针均覆盖对应 的突变点。
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3 SNP分析
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• 同一物种的不同个体基因组约有99.9％相同，
正是0.1％的不同才体现了个体的差异或多样
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（五）现代农业
基因芯片技术可以用来筛选农作物的基因 突变，并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷 冻的相关基因，也可以用于基因扫描及基因文 库作图、商品检验检疫等领域。目前该类市场 尚待开发。
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（六）研究领域
1 测定未知序列
TACGTTAG ATACGTTA 由杂交位置确定的一组 核酸探针序列 ATACGTTA TACGTTAG ACGTTAGA CGTTAGAT GTTAGATC ACGTTAGA CGTTAGAT GTTAGATC —TATGCAATCTAG 一组寡核苷酸探针
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4、新药研制方面的应用
受体蛋白固定于芯片 候选药物荧光标记