生物信息与生物芯片
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五、药物筛选
六、样品制备、分离和检测
生物芯片可广泛地应用于医学、农业、环境、国防、 航空航天、生物计算机等众多学科领域，将对人类社会 产生巨大的影响
分子生物学
生物信息学的研究内容
数学、计算机科学、生物学
1、与HGP相关的研究内容 2、功能基因组研究相关内容 3、蛋白组学相关 4、基因芯片信息学研究
生物芯片(biochip)技术
1、分类
2.功能生物芯片－ Microfluidics (MF)技术
微芯片：芯片上蚀刻大量微 流路并与大量微室 (nanoliter，毫微升级化学 反应室)相连
杂交
是一种斑点杂交技术。代表不同待检测基因的探针被 固定在芯片上，而被检测核酸用放射性或萤光标记后与芯 片的固相阵列杂交
DNA芯片信号的检测系统
常见的是激光共聚焦检测系统，主要由激光共 聚焦显微镜组成
原理：
将表面布满探针阵列的芯片置于恆温流动池上， 池内为含有萤光标记的靶分子溶液，激发光从芯片 背面射入，并在芯片与溶液界面聚焦，发射萤光由 成像显微镜最终到达检测器，那些未结合到芯片探 针上的标记分子由于不在聚焦部位，发射光即不能 被检测到
生物信息 与 生物芯片
生物信息学(Bioinformatics)
生物信息(Bioinformatics)
——广义的概念
➢ 生命现象是不同层次上的物质、能量与 信息的交换，不同层次是指核酸、蛋白 质、细胞、器官、系统、整体等
➢ 研究生物体系和生物过程中信息的内涵 和信息的传递
➢ 生物电磁学与电磁生物学、视觉系统与 光信息处理、脑和神经系统与信息、生 物体结构与微光机电系统
一、DNA序列分析（测序）
原理是依靠短的标记寡核苷酸探针与靶DNA杂交，利用杂 交谱重建靶DNA序列
如有一个六核苷酸序列的靶基因，现以包含三核苷酸阵 列的微芯片（内含43=64种核苷酸的探险针阵列）与之进行杂 交反应
结果：
TAA
AAC
ACG
CGA
被测样品原序列为：ATTGCT
二、基因表达分析
将不同条件下从生物体中转录出来的所有mRNA经标 记后，再与芯片上代表所有基因特征的寡核苷酸方阵进行 杂交，通过分析杂交位点及其信号强弱，就可得出不同情 况下每个基因是否表达及表达量为多少
分析系统
是一部高性能的计算机，其中最重要的 是分析软件，对于大量的基因表达分析需要 有全面智能化的分析辅助软件
1.蛋白芯片的原理
已点样好的芯片 加血清样本 加荧光标记物
2.蛋白芯片的应用
诊断疾病：如传染病、肿瘤、遗传病及心 血管疾病等
蛋白质相互作用研究
蛋白质与DNA相互作用研究
生物芯片的应用
(a) 芯片PCR (b) 加热恒温铜片
张自立 等: 现代生命科学进展, 科学出版社, 2004
Lab-on-a-chip
张自立 等: 现代生命科学进展, 科学出版社, 2004
3.信息生物芯片技术原理
将大量探针分子固定在支持物上，然后与 标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强 弱进而判断样品中靶分子的种类和数量
度快 缺点：探针需事先合成、纯化，定量准确性及重现性不好
（三）化学喷射技术
将事先合成好的寡聚核苷酸探针喷射到芯片上指定的位置
优点：定量、准确，重现性好，使用寿命长 缺点：喷印的斑点大，探针密度低（每平方厘米只有400
个探针）
Microarray_Printer
样品制备
从血液或活组织中获取DNA
在固定面上化学合成一系列寡核苷酸与游 离的靶分子（DNA或RNA）杂交
采用这种技术生产的DNA芯片探针阵 列 密 度 可 以 高 达 106-1010/cm2 ， 即 在 1 厘 米 见方的片基上排列几百万个探针
动画演示
（二）微量点样技术
这类DNA芯片所用支持物为载玻片或尼龙膜。用电脑控 制的机械手点上探针DNA分子，点样量很小约为0.005微升 优点：探针密度高（每平方厘米2500个探针），芯片制造速
基因（DNA）芯片技术
包括：
概述
杂交技术：核酸杂交技术
探针标记技术：萤光探针标记法
ຫໍສະໝຸດ Baidu
检测技术：激光共聚焦检测技术
特殊之处：微阵列技术和微点样技术
特点：微型化、集约化与标准化，使其具有小量、精
确、光谱、全面、快捷和灵活的特点，从而实现“将整个实 验室缩微到一片芯片上”的愿望
DNA芯片制备原理
（一）光引导原位合成技术
微流路的液流由电渗、压力 、离心力驱动
具快速、低耗、廉价、便携
促进分子遗传学技术向微型 化、高通量化、自动化大步 迈进
几种最简单的微芯片 (Micronit Microfluidics公司产品)
Clayton et al: Nature Methods, 2: 621~627, 2005
MF技术与PCR及凝胶电泳技术结合
动画演示
三、基因诊断
从正常人的基因组中分离出DNA并与芯片上的特异性方 阵杂交，可得到标准图谱。从病人基因组中分离DNA并与芯 片杂交就得到病变图谱，通过图谱的比较、分析，就可以得 出病变的DNA信息：部位、什么序列改变
P53、HIV-1的芯片己有售
四、基因组分析与新基因的发现
将基因组中的一些多态信息装入芯片中，通过对不同组 织的cDNA进行杂交，检测差异表达的基因
玻片上蚀刻流路后覆盖玻片即成微 管道，玻片背后将三块恒温铜块 (95℃、55~65℃、72~77℃)作热 源，反应液流经不同温度区完成解 链、退化和延伸，扩增细菌解旋酶 基因176 bp，20循环，仅10多分 钟
在芯片上将连续流式PCR与芯片毛 细管电泳连接组成DNA分析系统
在同一芯片上细胞分离、基因扩增 及产物电泳等联用装置，实现Labon-a-chip技术
Computation
Informatics
Bioinformatics
Biology
算法 统计学 信息理论 图形学 科学可视化 图像识别 人工智能 密码学 非线性动力学 计算机模拟 语言学 机器学习 数据库 软件工程 计算机网络 分布式系统
生物信息学
计算机科学和数学
数据获取 数据解释 基因组图谱 三维结构预测 分子建模 药物设计 同源比较 分子进化 数据库检索 基因预测 仪器设计 数据库构建 基因调控 基因诊断及治疗
六、样品制备、分离和检测
生物芯片可广泛地应用于医学、农业、环境、国防、 航空航天、生物计算机等众多学科领域，将对人类社会 产生巨大的影响
分子生物学
生物信息学的研究内容
数学、计算机科学、生物学
1、与HGP相关的研究内容 2、功能基因组研究相关内容 3、蛋白组学相关 4、基因芯片信息学研究
生物芯片(biochip)技术
1、分类
2.功能生物芯片－ Microfluidics (MF)技术
微芯片：芯片上蚀刻大量微 流路并与大量微室 (nanoliter，毫微升级化学 反应室)相连
杂交
是一种斑点杂交技术。代表不同待检测基因的探针被 固定在芯片上，而被检测核酸用放射性或萤光标记后与芯 片的固相阵列杂交
DNA芯片信号的检测系统
常见的是激光共聚焦检测系统，主要由激光共 聚焦显微镜组成
原理：
将表面布满探针阵列的芯片置于恆温流动池上， 池内为含有萤光标记的靶分子溶液，激发光从芯片 背面射入，并在芯片与溶液界面聚焦，发射萤光由 成像显微镜最终到达检测器，那些未结合到芯片探 针上的标记分子由于不在聚焦部位，发射光即不能 被检测到
生物信息 与 生物芯片
生物信息学(Bioinformatics)
生物信息(Bioinformatics)
——广义的概念
➢ 生命现象是不同层次上的物质、能量与 信息的交换，不同层次是指核酸、蛋白 质、细胞、器官、系统、整体等
➢ 研究生物体系和生物过程中信息的内涵 和信息的传递
➢ 生物电磁学与电磁生物学、视觉系统与 光信息处理、脑和神经系统与信息、生 物体结构与微光机电系统
一、DNA序列分析（测序）
原理是依靠短的标记寡核苷酸探针与靶DNA杂交，利用杂 交谱重建靶DNA序列
如有一个六核苷酸序列的靶基因，现以包含三核苷酸阵 列的微芯片（内含43=64种核苷酸的探险针阵列）与之进行杂 交反应
结果：
TAA
AAC
ACG
CGA
被测样品原序列为：ATTGCT
二、基因表达分析
将不同条件下从生物体中转录出来的所有mRNA经标 记后，再与芯片上代表所有基因特征的寡核苷酸方阵进行 杂交，通过分析杂交位点及其信号强弱，就可得出不同情 况下每个基因是否表达及表达量为多少
分析系统
是一部高性能的计算机，其中最重要的 是分析软件，对于大量的基因表达分析需要 有全面智能化的分析辅助软件
1.蛋白芯片的原理
已点样好的芯片 加血清样本 加荧光标记物
2.蛋白芯片的应用
诊断疾病：如传染病、肿瘤、遗传病及心 血管疾病等
蛋白质相互作用研究
蛋白质与DNA相互作用研究
生物芯片的应用
(a) 芯片PCR (b) 加热恒温铜片
张自立 等: 现代生命科学进展, 科学出版社, 2004
Lab-on-a-chip
张自立 等: 现代生命科学进展, 科学出版社, 2004
3.信息生物芯片技术原理
将大量探针分子固定在支持物上，然后与 标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强 弱进而判断样品中靶分子的种类和数量
度快 缺点：探针需事先合成、纯化，定量准确性及重现性不好
（三）化学喷射技术
将事先合成好的寡聚核苷酸探针喷射到芯片上指定的位置
优点：定量、准确，重现性好，使用寿命长 缺点：喷印的斑点大，探针密度低（每平方厘米只有400
个探针）
Microarray_Printer
样品制备
从血液或活组织中获取DNA
在固定面上化学合成一系列寡核苷酸与游 离的靶分子（DNA或RNA）杂交
采用这种技术生产的DNA芯片探针阵 列 密 度 可 以 高 达 106-1010/cm2 ， 即 在 1 厘 米 见方的片基上排列几百万个探针
动画演示
（二）微量点样技术
这类DNA芯片所用支持物为载玻片或尼龙膜。用电脑控 制的机械手点上探针DNA分子，点样量很小约为0.005微升 优点：探针密度高（每平方厘米2500个探针），芯片制造速
基因（DNA）芯片技术
包括：
概述
杂交技术：核酸杂交技术
探针标记技术：萤光探针标记法
ຫໍສະໝຸດ Baidu
检测技术：激光共聚焦检测技术
特殊之处：微阵列技术和微点样技术
特点：微型化、集约化与标准化，使其具有小量、精
确、光谱、全面、快捷和灵活的特点，从而实现“将整个实 验室缩微到一片芯片上”的愿望
DNA芯片制备原理
（一）光引导原位合成技术
微流路的液流由电渗、压力 、离心力驱动
具快速、低耗、廉价、便携
促进分子遗传学技术向微型 化、高通量化、自动化大步 迈进
几种最简单的微芯片 (Micronit Microfluidics公司产品)
Clayton et al: Nature Methods, 2: 621~627, 2005
MF技术与PCR及凝胶电泳技术结合
动画演示
三、基因诊断
从正常人的基因组中分离出DNA并与芯片上的特异性方 阵杂交，可得到标准图谱。从病人基因组中分离DNA并与芯 片杂交就得到病变图谱，通过图谱的比较、分析，就可以得 出病变的DNA信息：部位、什么序列改变
P53、HIV-1的芯片己有售
四、基因组分析与新基因的发现
将基因组中的一些多态信息装入芯片中，通过对不同组 织的cDNA进行杂交，检测差异表达的基因
玻片上蚀刻流路后覆盖玻片即成微 管道，玻片背后将三块恒温铜块 (95℃、55~65℃、72~77℃)作热 源，反应液流经不同温度区完成解 链、退化和延伸，扩增细菌解旋酶 基因176 bp，20循环，仅10多分 钟
在芯片上将连续流式PCR与芯片毛 细管电泳连接组成DNA分析系统
在同一芯片上细胞分离、基因扩增 及产物电泳等联用装置，实现Labon-a-chip技术
Computation
Informatics
Bioinformatics
Biology
算法 统计学 信息理论 图形学 科学可视化 图像识别 人工智能 密码学 非线性动力学 计算机模拟 语言学 机器学习 数据库 软件工程 计算机网络 分布式系统
生物信息学
计算机科学和数学
数据获取 数据解释 基因组图谱 三维结构预测 分子建模 药物设计 同源比较 分子进化 数据库检索 基因预测 仪器设计 数据库构建 基因调控 基因诊断及治疗