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《新京报·新知周刊》

 
 
 

日志

 
 

生物芯片:未来应用如同电脑芯片  

2006-12-15 12:36:00|  分类: 创新中国 |  标签: |举报 |字号 订阅

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生物芯片:未来应用如同电脑芯片 
 
 
www.thebeijingnews.com · 2006-12-11 11:46:40 · 来源: 新京报 
 
  
 
  什么是生物芯片?也许很多人还没有听说过这个东西,也许很多人会把它与电子芯片等半导体芯片联系起来。我们可以知道的是,生物芯片在中国,已经的的确确出现了一支初见规模的尖端科研队伍。尽管它离普通百姓的日常生活还远,但可以预料在将来,生物芯片将随着技术的成熟,如同现今的计算机芯片一样,呈井喷状出现在人们生活的方方面面。随着博奥生物有限公司等依附高校的企业和863计划的推动,我们国家无论在生物芯片专利上还是在科研领域的运用上,都已经形成了一定规模。
 
生物芯片:未来应用如同电脑芯片 - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
 
生物芯片的内部结构图。
 
生物芯片:未来应用如同电脑芯片 - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》

像花布一样五彩斑斓的生物芯片。
 
 
  核心概念在于集成
 
  什么是生物芯片呢?简单说,生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品,然后由一种仪器收集信号,用计算机分析数据结果。人们可能很容易把生物芯片与电子芯片联系起来,其实,生物芯片和电子芯片有着千丝万缕的联系,但是完全不同的两种东西。
 
  “芯片的概念取之于集成的概念,如电子芯片的意思就是把大的东西变成小的东西,集成在一起。”中国生物芯片第一制造商,博奥生物的蛋白质组学领域首席科学家杨卫平博士介绍,“生物芯片也是集成,不过是生物材料的集成。”在目前常用的生物检测中,一般的容器都是试管,如同我们在化学实验室中所见,而生物芯片把这些试验缩小,浓缩到一张小小的模板上。
 
  像实验室检测一样,在生物芯片上检查血糖、蛋白、酶活性等,是基于同样的生物反应原理。“芯片只是一个载体。做什么东西、检测什么,还是靠生物学家来完成。
 
  所以生物芯片就是一个载体平台。“杨卫平说。
 
  而这个平台的材料则有很多种,如硅,玻璃,膜(纤维素膜)等,还有一些三维结构的多聚体,平台上则密密麻麻地摆满了各种生物材料。
 
  “就像一个棋盘一样,”上海生物芯片有限公司基因部副总经理韩俊松说,“比如19行乘以19列,非常整齐、有规律地排列,每个行列里摆着不同的生物材料,如核酸溶液,它们的每个点就像一个试管,发生不同的反应。”“其实生物芯片并不等同于电子芯片,只是借用概念,它的原名叫‘核酸微阵列’,因为它上面的反应是在交叉的纵列中所发生。”也就是说,原来要在很大的实验室中需要很多个试管的反应,现在被移至一张芯片上同时发生了。
 
  与电子芯片既远又近
 
  电子芯片其实和生物芯片有着既远又近的关系。“它们相同的地方在于,都用很小的元件,储藏很大的信息量,输入输出也很大。”杨洪波说。所谓的生物芯片输出,就是在平方厘米大的芯片上,用特制的扫描仪扫出1百万个化学分子的反应信号,“一行一行地扫,小到0.5微米的地方也全部会被扫到,一百万个反应一个都不会漏。”从相同点来说,生物芯片就是“用电子方法生产,使用生物材料”的技术。
 
  而两者不同的地方则在于,因为材料使用不同,因此功能也不一样。
 
  生物芯片最初产生的初衷还是伴随着人类基因组工程而来的。“人类基因组工程初衷是为了弄清人类为何会得癌症,”杨说,“但即使在计划完成之后,人类也还是没有办法解决癌症根源,由此可见疾病比人类基因组计划所想象的更复杂。”这时,生物芯片的提出就成了研究病理的强有力工具。目前国外在生物芯片的医学应用上主要还是对癌症和药物的研究。
 
  生物芯片从上世纪90年代开始发展,一直属于尖端科学,同样参与了人类基因组的我国在这方面没有落后,出现了不少研究生物芯片的厂商和科研机构,并在国际上有了一定的影响。
 
  最大用途在于疾病检测
 
  “生物芯片将来是能像电脑芯片一样大规模运用的”。杨卫平说,他称生物芯片将来是不可代替的平台,目前只是处于早期阶段而已。
 
  因为芯片的分类根据检测对象而分,所以有着很多不同的种类。“蛋白质芯片是在检测模板上摆上蛋白质,如抗体、抗原、酶类等蛋白质,还有一种以检测对象为蛋白质的也叫蛋白质芯片。
 
  DNA芯片主要用于核酸的检测,检测DNA,RNA,小RNA等,小分子芯片比较特殊,是一些小的化学物品,如抗生素、农药等,这些在食品安全中非常重要,因为它的分子非常小,但又不属于蛋白质,所以是根据检测对象来划分的。“杨卫平介绍道。
 
  韩俊松表示,生物芯片会根据不同的需要摆上不同的材料,但目前生物芯片最大的用途还是疾病检测方面。杨洪波也表示,目前生物芯片在农业如改种、基因改造、畜种等领域上有很大的发展前途,同样,在公共卫生领域、食品安全检测领域都有很大的发展空问。
 
  目前在中国国内,如清华大学等几家单位办的博奥生物和南开大学办的天津生物芯片有限公司都属于国内顶尖的生物芯片公司。中国的生物芯片主要研发力量集中在与高校联合的企业。
 
  “中国的生物芯片,应该来说是有成绩的。”杨洪波说,在产业化的道路上,美国也先行掌握了最原始的知识产权,“但是我们可以发展其他方面的知识产权,比如每个不同的病菌单独打出知识产权来,这样才可以和外国交换。”
 
专题撰文/本报记者金煜
 
 
  ■新知补丁
 
  生物芯片
 
  生物芯片的概念取之于集成的概念,电子芯片的意思就是把大的东西变成小的东西,集成在一起。目前常用的生物检测都是些大的用品,大的试剂。缩小了之后,变成非常小的东西,如同电子材料、生物材料的集成,变成生物芯片。
 
  芯片实验室
 
  所谓实验室就是一种功能的集成。在普通实验室里,检测、分析等是分成不同步骤进行的,芯片实验室就是把所有的步骤聚在一起,也是有形的,只是把这些功能微缩到一个小的平台上,生物检测三大步骤样品的处理、生物反应、反应的检测之前由不同的机器做,最后才得出结果,而芯片实验室是把这三大步骤浓缩到一个平台上做,对用户来说无需知道中间步骤,是一个微型的自动化的过程。这是目前全世界都在主攻的方向,我国也不落后。
 
 
■对话
 
博奥生物杨卫平博士
 
市场需求推动生物芯片技术攻关
 
  记者:生物芯片应该建立在许多学科基础上吧?
  杨卫平:综合了很多学科,光、机、电、生物、化学、信息,主要是微加工技术。微电子技术是最早的原型,要在芯片上做各种各样的槽、小的反应区等,这需要微加工技术来实现,当然不需要微加工技术也可以实现,每个检测点是一个试管,一般的试管可能是以毫升为单位的,芯片里面却是以纳升为单位的。比微电子技术更复杂,微电子技术还只是做一些晶体管、半导体等,相对来说比较成熟、而且只是在物理领域,而生物芯片则有生物反应在里面。
  除了微加工技术外,也离不开如化学、生命科学等学科。
 
  记者:我国政府似乎相当重视生物芯片?
  杨卫平:是的。生物芯片这个领域非常新,在上世纪90年代中期以后才发展起来。我们国家的发展并不落后。
  中国生物芯片产业化和计算机比还是小零头,但是已经开始在多个领域中运用,如食品卫生检测,像鸡蛋、猪肉中有没有致病菌等,而像小分子研究是用于检测有没有抗生素的残留等。在诊断方面我们也已经有了运用,如病原微生物,自身免疫性疾病等的检查。但目前大多数的运用主要还是在科研领域。
 
  记者:生物芯片有可能像计算机芯片一样突然出现在老百姓生活中吗?
  杨卫平:电子芯片可不是一下子就出来的,它发展了四十年,是一个慢慢发展的过程。在生物芯片目前的发展中,技术上是存在难度的,如何将单一指标变成多指标,在开放上、新产品推出上会有很多的困难,但这些困难不是不能解决的,市场有这个需求,会慢慢解决的,只是现在还处于早期阶段。
  多指标检测同时进行,必然导致了成本的上升,因为单向检测上,普通的检测成本要低得多,多项指标在普通检测中,也会增加很多成本,所以作为一门新兴的技术,特别在医院的诊断市场上,大家的接受和认识需要一段过程。不过我相信随着需求的增加,大家会逐步接受多指标检测,从而使人们对疾病的监控越来越精确。
 
 
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