簡介生物晶片

2000 November 14

中央大學物理系與生命科學系李弘謙

內容大綱• 什麼是生物晶片• 基因工程• DNA 知識複習• 製造原理• 應用與現況

生物晶片• 是什麼 ?• 做什麼用？• 有何影響？

是什麼 ?• 是什麼 ?

• 泛指應用半導體策略以矽晶片、玻璃或高分子為基材，以微小化技術整合微機電、光電、化學、生化、 醫學工程及分子生物學等領域製成的精密微小化檢驗設備• 又稱：基因晶片、微晶片

生物晶片樣品

約 2 cm x 2 cm

做什麼用？• 做什麼用？

• 執行醫療檢驗、環境檢測、食品檢驗、新藥開發、基礎研究、軍事防禦、 化學合成等用途

有何影響？• 有何影響？

• 是生物科技的原子彈， 把多種基因研究的效率提升了百千倍

人類基因工程The Human Genome Project

The Human Genome Project - What

The Human Genome Project

• WHAT?– International research effort to

characterize the genomes of human and selected model organisms through complete mapping and sequencing of their DNA

The Human Genome Project - Why

The Human Genome Project

• WHY?• Develop technologies for genomic analysis• Examine ethical, legal, and social issues• Train scientists who will be able to utilize

HGP resources to pursue biological studies that will improve human health

What is a Genome?What is a Genome?• Collection of DNA molecules that carries

the “book of life” of each organism.• A DNA molecule is a double helix.• In single-cell organisms the genome is one

circular DNA molecule.• In multi-cell organisms the genome is

packaged in several chromosomes and every cell has a complete genome.

The Book of LifeThe Book of Life

How big is the Human Genome?How big is the Human Genome?

• Contains over 3 billion base pairs• One meter long when fully stretched• Size of 6 billion genomes, one from

each person on earth = 1 meter long human hair

Human has 23 chromosomes

Human has 23 chromosomes

A Chromosome

A Chromosome

Chromosome to DNAChromosome to DNA

DNA 結構 I• DNA 為雙螺旋結構• 兩條骨幹 ( 背脊 ) 上各掛了 A 、 C 、G 、 T 四種 鹼基 ( 大化學分子 )• 兩條骨幹上鹼基序列互補； A 、 T 互對， C 、 G 互對• A 、 T 間之作用及 C 、 G 間之作用為 雙螺旋之成因

Structure of DNA II

DNA 示意圖DNA 側視

DNA 鏈示意圖鳥瞰

生物的中心教條The Central Dogma

• 生命經由基因以 DNA 序列型式永續流傳• 生命的運作經由基因編碼的蛋白質執行

One Gene One ProteinThe human genome has 65,000 to 100,000 genes

• Each gene (DNA sequence) contains the genetic code of a protein (amino acid sequence)

• Gene to protein

transcription

translation

What is a Gene?

.Beginner's guide to Molecular Biology.htm

從 DNA 到蛋白質• DNA 中之基因 ( 鹼基序列 ) 被轉錄 成為 mRNA 序列• mRNA 序列依遺傳密碼被翻譯 成為蛋白質序列 ( 轉錄及翻譯之工作由細胞內之 RNA 及專業蛋白質自動執行 )

Protein synthesis

轉錄

翻譯

生物晶片原理• 製造原理

– 將可特徵基因之對偶鹼基序列 – 稱為探針 – 排列放置在微晶片上• 應用原理

– 將含基因序列之樣品液體到在微晶片上– 利用互補鹼基雜交作用的原理，由樣品 與微晶片上基因序列相互作用的情形摘取所需的資訊

cDNA microarray schema

cDNA 晶片製造原理

DNA microarray (Explore Fig1)

Explore Fig1 Caption

Microarray analysis

微晶片分析

生物晶片有若干類• 基因晶片 (gene chip, DNA microarray) 　　• 寡核酸陣列

(oligonucleotide microarray)

• 互補核酸陣列(cDNA microarray)

• 蛋白質晶片 (protein chip) 　　

生物晶片應用• 基因表現分析 (Expression analysis)

• 基因型分類 (Genotyping)

• 疾病管理 (Disease management

LLMPP paper

LLMPP Fig 1Sample gene Expression data

(LLMPP paper,Alizadeh et al. Nature 403 (2000)

Molecular Portraits ..Molecular Portraits of Human Breast Tumor

Perou et al.Nature 406 (2000)

DNA Chips

• The Brown Lab• Affymetrix• MicroArray.org

Stanford microarray database

The MGuide

台灣基因晶片• 中研院 白果能研究室• 工研院• 台灣養豬中心• 陽明大學• 等等• 中央大學 （箭在弦）