《信息技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》課件第10章

第十章生物電子技術(shù)10.1生物識(shí)別技術(shù)10.2生物芯片技術(shù)10.3生物分子電子技術(shù) 10.4生物計(jì)算機(jī)生物電子技術(shù)是電子學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互交叉滲透和綜合而產(chǎn)生的一門新的前沿學(xué)科。許多研究工作證明，未來(lái)生物電子技術(shù)的飛速發(fā)展，不但會(huì)對(duì)目前的電子計(jì)算機(jī)和電子信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響，而且也將對(duì)21世紀(jì)的整個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人們的日常生活產(chǎn)生重大影響。作為一門新興的學(xué)科，生物電子技術(shù)涉及的范圍很廣，目前還沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的定義，但與之相關(guān)的工程和技術(shù)很多，例如生物傳感技術(shù)、生物芯片技術(shù)、生物信息技術(shù)、分子、生物分子電子技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)工程等。

生物識(shí)別技術(shù)是生物信息技術(shù)之一，也是一種新興的身份識(shí)別技術(shù)，是根據(jù)人唯一的和可測(cè)的生理學(xué)和行為學(xué)特征進(jìn)行自動(dòng)機(jī)器身份識(shí)別的技術(shù)。當(dāng)前，用于生物識(shí)別的生理特征包括人臉、指紋、虹膜、視網(wǎng)膜、血液和DNA等，行為特征包括聲音、簽字和步態(tài)等。10.1生物識(shí)別技術(shù)生物識(shí)別系統(tǒng)和其他系統(tǒng)一樣都具有一些衡量系統(tǒng)優(yōu)劣的技術(shù)指標(biāo)，這些技術(shù)指標(biāo)非常重要，決定了系統(tǒng)的適用性和應(yīng)用領(lǐng)域。用于身份認(rèn)證的生物識(shí)別系統(tǒng)具有三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)：錯(cuò)識(shí)率、誤警率和等錯(cuò)率。

生物芯片技術(shù)起源于核酸分子雜交。所謂生物芯片，簡(jiǎn)單說(shuō)就是在一塊玻璃片、硅片、尼龍膜等材料上放上生物樣品，然后由一種儀器收集信號(hào)，用計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)結(jié)果，它一般指固定在互相支持介質(zhì)上的高密度生物信息分子(如基因片段、CDNA片段或多肽、10.2生物芯片技術(shù)蛋白質(zhì))的微陣列雜交型芯片(micro-arrays)，陣列中每個(gè)分子的序列及位置都是已知的，并且是預(yù)先設(shè)定好的。微流控芯片(microfluidicchips)和液態(tài)生物芯片是在微陣列芯片之后發(fā)展起來(lái)的生物芯片新技術(shù)，生物芯片技術(shù)是系統(tǒng)生物技術(shù)的基本內(nèi)容。

生物芯片(biochip或bioarray)是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過(guò)程集成于芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測(cè)。狹義的生物芯片概念是指通過(guò)不同方法將生物分子(寡核苷酸、CDNA、genomicDNA、多肽、抗體、抗原等)固著于硅片、玻璃片(珠)、塑料片(珠)、凝膠、尼龍膜等固相介質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣，因此生物芯片技術(shù)又稱微陣列(microarray)技術(shù)，含有大量生物信息的固相介質(zhì)稱為微陣列，又稱生物芯片。在生物芯片的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了微流體芯片(microfluidicschip)，亦稱微電子芯片(microelectronicchip)，也就是縮微實(shí)驗(yàn)室芯片。

人們可能很容易把生物芯片與電子芯片聯(lián)系起來(lái)，雖然生物芯片和電子芯片確實(shí)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，但它們是完全不同的兩種東西。生物芯片并不等同于電子芯片，只是借用概念，它的原名叫“核酸微陣列”，因?yàn)槠渖厦娴姆磻?yīng)是在交叉的縱列中所發(fā)生的。圖10.1所示為五彩斑斕的生物芯片。

圖10.1五彩斑斕的生物芯片芯片的概念取自于集成的概念，如電子芯片的意思就是把大的東西變成小的東西，集成在一起。生物芯片也是集成，不過(guò)是生物材料的集成。像實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)一樣，在生物芯片上檢查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同樣的生物反應(yīng)原理。所以生物芯片就是一個(gè)載體平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)的材料有很多種，如硅、玻璃、膜(纖維素膜)等，還有一些三維結(jié)構(gòu)的多聚體，平臺(tái)上則密密麻麻地?cái)[滿了各種生物材料。芯片只是一個(gè)載體，做什么東西、檢測(cè)什么，還是靠生物學(xué)家來(lái)完成。也就是說(shuō)，原來(lái)要在很大的實(shí)驗(yàn)室中需要很多個(gè)試管的反應(yīng)，現(xiàn)在被移至一張芯片上同時(shí)發(fā)生了。

·芯片制備：目前制備芯片主要采用了表面化學(xué)的方法或組合化學(xué)的方法來(lái)處理芯片(玻璃片或硅片)，然后使DNA片段或蛋白質(zhì)分子按順序排列在芯片上。目前已有將40萬(wàn)種不同的DNA分子放在1平方厘米的芯片上，并且正在制備包含50～100萬(wàn)個(gè)DNA探針的人類基因檢測(cè)芯片。

·樣品制備：可將樣品進(jìn)行生物處理，獲取其中的蛋白質(zhì)、DNA或RNA，并且加以標(biāo)記，以提高檢測(cè)的靈敏度。

·芯片信號(hào)檢測(cè)：常用的芯片信號(hào)檢測(cè)是將芯片置入芯片掃描儀中，通過(guò)采集各反應(yīng)點(diǎn)的熒光位置、熒光強(qiáng)弱，再經(jīng)相關(guān)軟件分析圖像，即可獲得有關(guān)生物信息。生物芯片這一名詞最早是在20世紀(jì)80年代初提出的，當(dāng)時(shí)主要指分子電子器件，它是生命科學(xué)領(lǐng)域中迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，主要是指通過(guò)微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固體芯片表面構(gòu)建微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞、蛋白質(zhì)、DNA以及其他生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的檢測(cè)。美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室研究員卡特(Carter)等試圖把有機(jī)功能分子或生物活性分子進(jìn)行組裝以構(gòu)建微功能單元，實(shí)現(xiàn)信息的獲取、貯存、處理和傳輸?shù)裙δ?，用以研制仿生信息處理系統(tǒng)和生物計(jì)算機(jī)，從而產(chǎn)生了“分子電子學(xué)”，同時(shí)取得了一些重要進(jìn)展，如分子開關(guān)、分子貯存器、分子導(dǎo)線和分子神經(jīng)元等分子器件，更引起科學(xué)界關(guān)注的是建立了基于DNA或蛋白質(zhì)等分子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室模型。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，人類基因組計(jì)劃(HumanGenomeProject，HGP)和分子生物學(xué)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展也為基因芯片技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展提供了有利條件。與此同時(shí)，另一類“生物芯片”引起了人們的關(guān)注，通過(guò)機(jī)器人自動(dòng)打印或光引導(dǎo)化學(xué)合成技術(shù)在硅片、玻璃、凝膠或尼龍膜上制造生物分子微陣列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞或其他生物組分準(zhǔn)確、快速、大信息量的篩選與檢測(cè)。

2004年3月，英國(guó)著名咨詢公司弗若斯特·沙利文(Frost&Sulivan)公司出版了關(guān)于全球芯片市場(chǎng)的分析報(bào)告《世界DNA芯片市場(chǎng)的戰(zhàn)略分析》。報(bào)告認(rèn)為全球DNA生物芯片市場(chǎng)每年平均增長(zhǎng)6.7%，2003年的市場(chǎng)總值是5.96億美元，2010年達(dá)到了93.7億美元。納儂市場(chǎng)(NanoMarkets)調(diào)研公司預(yù)測(cè)，以納米器械作為解決方案的醫(yī)療技術(shù)將在2012年增加到250億美元，而其中以芯片實(shí)驗(yàn)室最具發(fā)展?jié)摿?，市?chǎng)增長(zhǎng)率最快。

1．生物芯片的歷史

我國(guó)的生物芯片的研究始于1997～1998年。盡管發(fā)展較晚，但進(jìn)步神速。生物芯片已經(jīng)列入“十五”863計(jì)劃之中。截止到2006年，生物芯片的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)約為2.5億元，約占全球市場(chǎng)的0.2%。研究已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入應(yīng)用階段。我國(guó)自主研制的激光共焦掃描儀已經(jīng)處于國(guó)際先進(jìn)水平，先后出口到歐美和韓國(guó)等地區(qū)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)原創(chuàng)性生命科學(xué)儀器的首次出口。目前，我國(guó)已有500多種生物芯片及相關(guān)產(chǎn)品投入市場(chǎng)。此外，我國(guó)還是首個(gè)批準(zhǔn)生物芯片投入市場(chǎng)的國(guó)家，比美國(guó)早3年。

2006年，由浙江大學(xué)方肇倫院士領(lǐng)銜國(guó)內(nèi)10家高校、科研單位共同打造的芯片實(shí)驗(yàn)室“微流控生物化學(xué)分析系統(tǒng)”通過(guò)驗(yàn)收，該項(xiàng)研究成果將使我國(guó)醫(yī)療臨床化驗(yàn)發(fā)生革命性變革，徹底改變了我國(guó)在微流控分析領(lǐng)域的落后面貌。同年，生物芯片北京國(guó)家工程研究中心又成功研制了一種利用生物芯片對(duì)骨髓進(jìn)行分析處理的技術(shù)，這在全球尚屬首次，可以大大提高骨髓分型的速度和準(zhǔn)確度。這種用于骨髓分型的生物芯片只有手指大小，僅一張就可以存儲(chǔ)上萬(wàn)個(gè)人的白細(xì)胞抗原基因。過(guò)去，我國(guó)這種技術(shù)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，價(jià)格很高。每進(jìn)行一份骨髓分型，就要支付500元的費(fèi)用，而這種芯片的造價(jià)只是國(guó)外的1/3，精密度可以超過(guò)99%，比國(guó)外高出好幾個(gè)百分點(diǎn)。

2007年，云南大學(xué)宣布，他們研發(fā)出了一種高效檢測(cè)HIV病毒的生物芯片，其精度可達(dá)100個(gè)病毒顆粒/毫升，是傳統(tǒng)方法的100～1000倍，價(jià)格卻比熒光PCR檢測(cè)低1/3左右。

2008年6月，生物芯片的頂級(jí)雜志《LabonaChip》刊發(fā)了中心主任程京教授領(lǐng)導(dǎo)的生物芯片北京國(guó)家工程研究中心與清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)研究中心研究團(tuán)隊(duì)在利用生物芯片檢測(cè)細(xì)胞遷移的技術(shù)，并將其作為封面。此技術(shù)可用于癌癥的檢測(cè)，與傳統(tǒng)方法相比，不僅快速，還有時(shí)事、定量、自動(dòng)化等特點(diǎn)。英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)在其網(wǎng)站上發(fā)表評(píng)論員文章認(rèn)為，此項(xiàng)技術(shù)將為高通量的抗腫瘤轉(zhuǎn)移類藥物的篩選和藥物研發(fā)帶來(lái)光明的前景。

2009年4月，我國(guó)第一個(gè)生物芯片生產(chǎn)基地——長(zhǎng)沙國(guó)家生物產(chǎn)業(yè)基地的安信公司正式投產(chǎn)，負(fù)責(zé)生產(chǎn)我國(guó)自主研發(fā)的個(gè)體化基因檢測(cè)芯片，以用于臨床診斷和給藥判斷上。另?yè)?jù)報(bào)道，2009年5月11日，繼甲型H1N1流感病毒RT-PCR檢測(cè)試劑盒之后，中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院軍事獸醫(yī)研究所再次宣布，成功研制出檢測(cè)甲型H1N1流感病毒及多種亞型流感病毒的基因芯片，這使我國(guó)成為全球首個(gè)研制出相關(guān)基因芯片的國(guó)家，充分說(shuō)明了我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究實(shí)力。

為了加強(qiáng)生物芯片的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，縮短與國(guó)際上的差距，我國(guó)分別在北京和上海建立了兩個(gè)國(guó)家級(jí)的研究中心，初步形成了生物芯片技術(shù)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合艦隊(duì)式的企業(yè)發(fā)展格局，通過(guò)了ISO9001：2000版質(zhì)量管理體系認(rèn)證，成立了基因芯片部、蛋白抗體部、產(chǎn)品開發(fā)部、生物信息部和以組織芯片為特色的上海芯超生物科技有限公司、以基因分型為特色的上海南方基因科技有限公司、以市場(chǎng)營(yíng)銷為主的上海滬晶生物科技有限公司以及以專業(yè)診斷產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)為主的上海華冠生物芯片有限公司、江蘇海晶診斷科技有限公司、中美合資上海英伯肯醫(yī)學(xué)生物技術(shù)有限公司等多個(gè)為產(chǎn)業(yè)化依托的具有良好的自我循環(huán)能力的專業(yè)子公司。在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，我國(guó)生物芯片產(chǎn)業(yè)不僅實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，而且已經(jīng)走出國(guó)門，成為世界生物芯片領(lǐng)域一股強(qiáng)大的力量。例如，我國(guó)科學(xué)家自主研制的激光共焦掃描儀向歐美、韓國(guó)等地區(qū)的出口訂單已經(jīng)達(dá)到百臺(tái)級(jí)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)原創(chuàng)性生命科學(xué)儀器的首次出口，這標(biāo)志著我國(guó)生物芯片企業(yè)正式邁入國(guó)際領(lǐng)先者行列，也使生物芯片北京國(guó)家工程研究中心進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的產(chǎn)品達(dá)到了5種。

2．生物材料

生物材料重量輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)精細(xì)、性能特異、生產(chǎn)能耗少、成本低、生產(chǎn)速度快、對(duì)環(huán)境的破壞小，因而具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。目前正在研究的生物材料包括蛋白質(zhì)纖維、塑料、黏合劑、涂料、彈性體、潤(rùn)滑劑、復(fù)合材料和光電材料等。預(yù)計(jì)在今后數(shù)十年內(nèi)生物材料有可能用于部隊(duì)的裝備中。今后將有可能生產(chǎn)出供飛機(jī)等航空航天設(shè)備使用的重量輕、強(qiáng)度高的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及裝甲防護(hù)材料。

3．生物涂料

生物涂料的研究目前集中在艦船防污涂料方面，有望很快開發(fā)出可以緩慢、穩(wěn)定地釋放防污劑的新涂料。

4．生物加工處理

與常規(guī)化學(xué)方法相比，生物加工處理具有節(jié)省能源、成本低廉、對(duì)環(huán)境無(wú)害、速度快、特異性和選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前正在研究的課題有：生化戰(zhàn)劑的洗消、危險(xiǎn)廢物的生物降解、生物除漆、生物防核污染和微生物冶金，以及無(wú)腐蝕、低成本、高速度、便攜帶的生物酶，清除殘余地雷水雷、降解TNT炸藥的生物體和能除去鈾、鐳、砷等有毒有害元素的微生物。

生物分子電子技術(shù)是利用生物分子信息材料裝配電子元件和儀器的技術(shù)。它在武器裝備的信息化、微型化、智能化過(guò)程中將起到重要作用。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)把它看成是能使未來(lái)作戰(zhàn)發(fā)生革命性變化的技術(shù)之一。10.3生物分子電子技術(shù)目前，進(jìn)展較快的是光學(xué)開關(guān)模式的生物分子器件。一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制造出這種模式的并行處理器件、三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等原型器件。

在未來(lái)幾十年內(nèi)，有可能研制出可裝入計(jì)算機(jī)的高密度生物電子存儲(chǔ)器，以及基于細(xì)菌視紫紅質(zhì)的其他一些器件(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能所必需的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器等)。

生物計(jì)算機(jī)又稱為DNA計(jì)算機(jī)。DNA分子中的密碼相當(dāng)于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，DNA分子間可以在某種酶的作用下迅速完成生物化學(xué)反應(yīng)，從一種基因碼變?yōu)榱硪环N基因碼，反應(yīng)前的基因碼可以作為輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因碼可以作為運(yùn)算結(jié)果。10.4生?物?計(jì)?算?機(jī)在制造這種生物計(jì)算機(jī)時(shí)，首先挑選一些DNA片段分別代表不同的變量，以片段之間的接合和斷開序列代表“與”和“或”邏輯判斷，然后運(yùn)用生物技術(shù)手段加以控制，探測(cè)并分離出生物材料中具有與特定判斷相應(yīng)特征的部分，最終就可以制成一種新型邏輯判斷計(jì)算機(jī)。

1994年，美國(guó)南加州大學(xué)教授雷納德·阿德勒曼(L.Adleman)博士在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為《組合問(wèn)題的生物電腦解決方案》的論文，首次提出了分子計(jì)算機(jī)，即用DNA分子構(gòu)建電腦的設(shè)想。作為一位理論數(shù)學(xué)家，阿德勒曼教授的研究課題十分廣泛，他曾與別人合作發(fā)明了用于通信的RSA加密碼，RSA中的“A”就是他姓名的首字母；此外，他的研究觸角也涉及艾滋病和生物學(xué)領(lǐng)域。更令電腦界驚訝的是，阿德勒曼竟然利用他發(fā)明的DNA生物電腦，解決了一個(gè)實(shí)際的數(shù)學(xué)難題，這個(gè)題目是這樣的：“由14條單行道連接著7座城市，請(qǐng)找出走過(guò)上述全部城市的最近路途，而且不能走回頭路?！睂W(xué)數(shù)學(xué)的人都知道，這是一個(gè)經(jīng)典的數(shù)學(xué)問(wèn)題，又叫“推銷員問(wèn)題”(其正式名稱為“漢密爾頓路徑問(wèn)題”)，該問(wèn)題的敘述是這樣的：“如果一個(gè)推銷員要在許多個(gè)城市推銷，每個(gè)城市必須而且只能經(jīng)過(guò)一次，如何找到最短的路徑？”經(jīng)典數(shù)學(xué)中并沒(méi)有公式可以回答這個(gè)問(wèn)題，唯一的解決辦法是找到所有可能的