基因芯片技术在生物研究中的应用进展

李筱乐

在高中生物基因工程的学习过程中，经常会提到基因芯片的发展，基因芯片是生物高科技发展的产物，是一项高新技术，在基因工程方面得到了广泛的应用，基因芯片为基因表达、基因重组方面做出了重要的贡献。本篇文章阐述基因芯片技術在生物研究中的应用进展，同时介绍基因芯片的未来发展方向。

基因芯片技术是将已知序列的核酸片段进行固定，组成的一系列有次序的核酸片段，利用荧光标记法将已知片段标记，然后利用基因杂交技术，将已知的核酸片段与未知的核酸片段进行杂交，然后通过荧光标记的部位推测未知核酸片段序列，从而得知核酸样品的具体信息。基因芯片可以在有限的实验次数内迅速地获得样品的基因变化规律，利用基因芯片进行测序，既方便又高效。

1 基因芯片的概述

1.1 基因芯片的具体概述

基因芯片也称为DNA芯片，是生物芯片发展的核心技术。基因芯片最先出现于美国，其具有高效、准确的特点，基因芯片是在基因的基础上进行操控，是利用基因探针技术以及核酸杂交技术对核酸样品序列进行准确分析的一项技术。基因芯片可以分为很多种，将有机基质作为载体的称为有机基因芯片，将无机基质作为载体的称为无机基因芯片;同时，基因芯片还有不同的功能，其中包括核酸序列测序，基因差异表达等。

1.2 基因芯片的主要原理

基因芯片主要利用到基因探针以及核酸杂交技术，将已知序列的核酸片段固定在物体上，成为基因探针，同时利用碱基互补配对原则和荧光标记法，将被标记的基因探针与待测的核酸片段进行杂交，通过检测荧光信号的有无，测定靶基因的具体信息。

1.3 基因芯片的制备方法

1.3.1 原位合成法

将许多电极固定在硅胶等固体支持物上，根据电极的特点，其上具有许多生物亲和性的小孔，其中四种脱氧单糖核苷酸能够在电机的小孔上合成DNA的小部分片段。原位合成法的用途较为狭窄，只能合成基因芯片，而不可以合成蛋白质芯片。

1.3.2 直接点样法

直接点样法与原位合成法相比，具有一定的优势，直接点样法是将人工合成的核苷酸片段直接固定在硅胶等固体支持物上，其步骤简单，不仅可以制造基因芯片，还可以制造蛋白质芯片，就是操作过程较为复杂，对专业知识的需求量大。

1.4 基因芯片存在的不足

已知的基因序列有限，已知的基因序列是制备基因芯片的主要材料。但已知的基因序列较少，是阻碍基因芯片技术发展的主要因素。此外，比如探针对杂交体的稳定性也会影响到基因芯片技术的发展，环境对于基因芯片的影响还有待挖掘，这需要进一步的掌握生化性质，从根本是掌握芯片的应用规律。此外，基因芯片检测的灵敏度不够高，在检测中操作较为复杂，这也是生物领域工作者应该改进并研究的重要内容。

2 基因芯片在生物研究中的具体应用

2.1 可以用来对基因表达进行分析

生物的致病基因的表达与生物的阶段发育有关，生物的不同阶段，其致病基因的表达情况不同;同时，致病基因又受到病原微生物的影响。致病基因的表达情况需要利用基因芯片来获得，还可以根据基因的表达情况来推测基因的功能以及致病的机理。相关研究者对莱姆病原菌在不同环境下的基因表达情况做了详细研究，根据实验发现，将莱姆病原菌放入新环境中，莱姆病原菌为了适应环境的改变，会在极短的时间内做出改变，当其适应之后，莱姆病原菌的基因表达情况便会稳定不便。由此可以看出，病原微生物能够在短期内适应环境的变化，这也是病原微生物抗药性的原因之一。

2.2 基因芯片可以进行DNA测序

DNA测序是指通过运用相关的生物技术，从而得知脱氧核苷酸的排列顺序。基因芯片技术在DNA测序上获得了巨大的成就。其凭借高效性与准确性，能够准确的DNA进行测序，具有很大的发展空间。利用基因芯片进行测序的准确率极高，将已知基因序列的基因探针与待测的样品进行杂交，两者的匹配度高，则其杂交信号就高。基因芯片在测定植物以及病原微生物基因突变的方面，有着较高的成就。其代表着利用基因芯片进行测序的效率有着明显的提高。我国的基因芯片也得到了有效地发展，在生物领悟的成就非凡。

2.3 为新基因的发展奠定基础

基因芯片技术得到广泛的应用之后，为我国的生物工作者提供了一定的思路去研究新基因，随着对基因组的不断研究，基因组序列被掌握与理解，这为工作者研究未知的基因与功能奠定了一个良好的基础。在以往的研究过程中，工作者还无法解释生物生理过程中基因相互作用的问题。基因芯片技术的出现，为解决这一难题提供了可能。从事生物研究的相关人员利用基因芯片技术，经过筛选，从而发现了果蝇差异表达基因，在此基础上，还发现了很多相关的新基因。这是我国生物研究的一大成就。此外，松材线虫的出现，是我国生态环境面临的一项巨大挑战，我国相关研究医学、者已经对松材线虫的基因进行了测序，已经研究掌握了松材线虫的致病基因，能够有效地防止松材线虫引起的灾害。

2.4 基因芯片在农业上的应用

基因芯片受到个各个国家、各个行业的关注，基因芯片技术的的发展成为生物芯片发展的最重要的课题，目前的基因芯片凭借高通量的检测能力，成为研究植物基因的重要技术，已经广泛的运用于植物生理、植物抗逆境生长、病虫害检测、转基因植物研发等多个方面，在农业的领悟取得了巨大的成就。就转基因技术来说，基因芯片具有一定的高效性，可以同时检测多种基因，可以同时准确的辨别启动子，可以简单、迅速并且准确的检测转基因的农产品，此外，基因芯片的出现还能够提高检查转基因农产品的灵敏度。

2.5 基因芯片在生物医学方面的应用

可以利用基因芯片检测基因的表达方式以及基因的功能，从而查找到致病基因以及致病的机理。包括肿瘤在内的许多疾病都是由于致病因子刺激基因的内部结构，从而引起基因结构或者基因序列的改变。因此，利用基因芯片来对不同的基因进行检查，从基因的程度上对致病因素进行调控，对病人进行及时的救治，可以改善病情或者阻碍病情的再次发生。同时，还可以利用基因芯片技术筛选出中药中的有效成分，掌握药物中有效药物的分子机理，力求能够从基因的水平上解释治病的机理，从而提高中药的使用率，在一定的程度上能够避免药物的浪费。

2.6 利用基因芯片技术绘制图谱

利用基因芯片技术绘制生物所需的基因图谱。我国著名的生物学家张新建，利用基因芯片技术研究掌握了水稻白叶枯病菌侵染的整个过程，同时他分析了水稻的基因表达图谱，发现在水稻基因表达的过程中，有五个基因发生了明显的变化。同时我国的生物学家赵宝存利用新芯片技术，发现了小麦基因表达的差异性，并研制出小麦基因差异表达的图谱，为相关人员的提供了技术上的参考，为我国相关行业的发展奠定了基础。

3 结束语

基因芯片能够快速的分析生物基因表达的具体信息，在生命科学的领域中发挥着巨大的作用。基因芯片从最初被研发到现在只经过了短短十几年，但是基因芯片技术的发展飞速，同时，基因芯片技术对生命科学未来的发展有着重要的意义。基因芯片可以分析出基因的具体功能，基因芯片技术的发展是生物界发现的必然趋势，基因芯片技术将会在生物的各个行业中发挥巨大的作用，加快我国医学、农业等相关各个行业的发展进程。基因芯片技术虽然存在一定的不足，但是并不能否定基因芯片对各个领域所做出的贡献，DNA测序以及其他基因方面的研究，都是在基因芯片技术的基础上进行研发的。

（作者单位：西安交通大学附属中学航天学校）