环境工程技术分析解析

研究生专业课程论文

题目：环境工程技术

姓名：

学院：资源与环境科学学院

专业：环境工程

班级：

学号：

指导教师：职称：教授

2015年1月4日

南京农业大学教务处制

基因芯片在环境保护中的应用

作者王汉宇指导老师蔡天明

摘要：基因芯片技术是21世纪生物技术的重要发展，是生命科学与物理学、化学、微电子学以及计算机学等学科相互交叉的一门高新技术。该技术的突出特点在于其高度的并行性、多样化、微型化、自动化，基因芯片技术应用于功能基因研究、杂交测序、药物筛选诊断、基因表达、基因多态性和突变检测等，除了在生物学、医学、制药学、司法和农林业等领域上都有极为广阔的应用外，在环境保护上，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。

关键词：基因芯片；环境保护；环境污染；微生物检测

Gene Chip Technology and its Application in Environment

Protection

Author

Instructor

Abstract：Gene chip technology is one of the important development of biotechnology in the 21st century, and it is a high technology which the life scientific and physics, chemistry, microelectronics and computer science and other disciplines intersect at. The salient features of this technology is its high degree of parallelism, diversification, miniaturization, automation, Gene chip technology has been used in functional genomics research, hybridization sequencing, drug screening, diagnosis, gene expression, gene polymorphism and mutation detection, etc. Apart from the external application on the field of biology, medicine, pharmaceutics, judicial and agroforestry, In environmental protection, On the one hand it can quickly detect the pollution and harm comes from microorganisms or organic compounds of environment, human, animal and plant. But also to seek protection through large-scale genetic screening, and prepare genetic engineering drugs to hazard Prevention or gene product which can control pollution.

Key words:Gene Chip；environment protection；environment pollution ；microbial detection

前言

基因芯片, 又称DNA 微探针阵列(microarray),是一种最重要的生物芯片的一条分支，是伴随人类基因组计划而产生的，该技术的突出特点在于其高度的并行性、多样化、微型化、自动化，被认为是生命科学研究中继基因克隆技术、基因自动测序技术、PCR 技术后的又一次革命性的技术突破。是近年来不仅在分子生物学及医学诊断技术的重要进展。它的工作原理与经典的核酸分子杂交方法是一致的, 都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交, 通过随后的信号检测进行定性与定量分析。基因芯片在一微小的基片(硅片、玻片、塑料片等)表面集成了大量的分子识别探针, 能够一次分析大量的基因, 进行大信息量的筛选与检测。基因芯片可以快速有效地检测污染源，检测由微生物、有机物等引起的污染，对环境污染物进行检测与评价。同时能够帮助研究人员通过大规模的筛选制备能够治理污染源的基因产品或寻找到保护基因并制备防止危害的基因工程产品。

1基因芯片的原理和种类

1.1 基因芯片的产生

1985年,美国科学家率先提出人类基因组计划，由此揭开人类生命科学史上的伟大工程，随着人类基因组计划实施，大量的动植物、微生物基因组序列得以测定，基因序列数据以前所未有的速度增加，怎样去面对如此众多的基因并探讨其在生命活动中担负的功能就成了生命科学者们共同的任务。有人就曾设想利用计算机半导体技术生产基因芯片，以对人类基因大量的遗传信息进行分析和检查,直到1994年,由于光电化学的进展、光刻技术的诞生,Pease等人创造的光导原位合成(Light--direetedsymothesis)高密、微化的寡核昔酸阵列(ODTA)技术得以问世，这才使设想逐步成为现实。基因芯片采用微加工和微电子技术，可在大小1cm的固相表面组装固定若干、几十、成千甚至上万个不同DNA探针，以形成生物分子高密、二维阵列的微型生物化学分析系统，能够实现对基因分子信息个别及大规模的分析和检测。

1.2 原理

基因芯片的原理是基于核酸分子碱基之间(A一T/G一C)互补配对的原理，利用分子生物学、基因组学、信息技术、微电子、精密机械和光电子等技术将一系表面构成微点阵，然后将标一记的样品分子与微点阵上的DNA杂交,以实现对多到数万个分子之间的杂交反应,并根据杂交模式构建目标DNA的序列，从而达到高通量大规模地分析检测样品中多个基因的表达状况或者特定基因(DNA)分子是否存在的目的。例如将由A、T、C、G4种核普酸任意组合形成的八聚体寡核昔酸探针(65536个)和1个长度为12个寡核昔酸碱基组成为AGCCTAGCTGAA的DNA单链进行杂交反应,结果有5种探针可以和目标DNA互补结合，它们分别是TCGGATCG、CGGATCGA、GGATCGAC、GATCGACT和ATCGACTT。将这些具有重叠序列的探针进行重排就可以构建目标DNA的互补序列。

1.3 种类

基因芯片的类型较为繁多，其分类方法较多：根据载体基质不同分为:无机片基基因芯片，指其基质基片是无机物，如:玻璃、硅片等，有机片基基因芯片，指其基质基片是有机物，如:凝胶、尼龙膜等；依据探针合成的顺序分为:原位合成基因芯片和预先合成后上样的基因芯片，前者通过聚乙二醇或硅烷类化学试剂在不同位点合成不同的探针，后者比较简单，先制备好cDNA或寡核营酸，然后在经特殊处理的玻片、硅片或膜上点样；按照基因芯片的用途可分为:基因表达芯片和DNA测序芯片，前者可以将克隆到的成千上万个基因特异的探针或cDNA片段固定在一块DNA芯片上，对来源不同的个体(正常人或患者)、组织、细胞周期、发育阶段、分化阶段、不同的病变、不同刺激(包括不同诱导和不同治疗手段)下的细胞内mRNA或反转录后产生的cDNA进行检测，对这些基因表达的个体特异性、病变特异性、刺激特异性进行综合分析和判断，将某个或某几个基因与疾病联系起来，极快地确定这些基因的功能，且可进一步研究基因与基因间相互作用关系，后者则是对大量的基因进行序列分析。按基因芯片组装的探针可分为:寡核昔酸和cDNA芯片，前者可用于基因组学及表达谱研究，后者仅用于表达谱研究。

2 基因芯片技术

2.1 DNA阵列的构建和印制

根据芯片种类的应用目的的不同，芯片核酸阵列的构建方式也不相同，首先是根据研