БИОЧИП, КАК РЕВОЛЮЦИОННЫЙ ПРОРЫВ В БИОТЕХНОЛОГИИ

BIOCHIP AS A REVOLUTIONARY BREAKTHROUGH IN BIOTECHNOLOGY

Nikolai Pavlov

student, Department of Instrumentation and Biomedical Engineering, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

В данной статье описывается биочип, как революционный прорыв в биотехнологии. Анализируются методы использования, структура биочипов и способы их применения.

ABSTRACT

This article describes the biochip as a revolutionary breakthrough in biotechnology. The methods of use, the structure of biochips and the ways of their application are analyzed.

Ключевые слова: биосенсор, чип, биохимический преобразователь.

Keywords: biosensor, chip, biochemical converter.

В конце прошлого столетия в России и США было разработано высокочувствительное миниатюрное устройство — биочип. Ему нашли широкое применение в области ветеринарии, криминалистики; в медико-биологических исследованиях; в биотехнологии, а также для идентификации вирусов и микроорганизмов и определения биоактивных веществ в небольших концентрациях.

Биочип — матрица с встроенными биологическими макромолекулами, которые способны избирательно связывать вещества в исследуемом растворе. Это мини-устройство представляет собой обычно стеклянную или пластиковую пластину с микротестами на основе ДНК или белков.

Технология микрочипов нашла широкое применение в связи с высокой чувствительностью, специфичностью, простотой выполнения и широким спектром анализа, и, конечно, низкой стоимостью проведения процедуры.

ДНК-чипы представляют собой твердую платформу, на которой сгруппировано в виде точек большое число дезоксиолигонуклеотидов. Материал подложки может состоять из стекла, кремния, гидрогеля, мембранных фильтров и различных полимеров. ДНК-чипы способны распознавать последовательности ДНК с заданными свойствами. Принцип работы биологических чипов основан на взаимодействии комплементарных цепей ДНК. Посредством гибридизации происходит процесс узнавания ДНК-мишеней с ДНК-пробами. Биочип, с которым проведена гибридизация, представляет собой скопление светящихся точек. Рассмотреть их можно только при помощи специальных сканеров, отличающихся спектральной чувствительностью и диапазоном.

Белковые и пептидные чипы.

Для изучения взаимодействия между белками используют белковые чипы. Технология белковых чипов основа на специфическом узнавании антигена и антитела. Чипы нашли большое применение в медицине для выявления скрытого периода аллергии и определения аллергенов, а также для анализа таких жидкостей, как плазма крови, ликвор, амниотическая жидкость, моча, слюна и т. д. Биочипы также используют при диагностике физиологических либо патологических изменений, основываясь на модификации белков. Поскольку белковые чипы включают в себя основные антигены патогенных организмов, то при помощи данных чипов можно проводить анализ крови на присутствие одновременно сотен, и даже тысяч антител и быстро идентифицировать инфекции.

Углеводные микрочипы

Примером углеводного микрочипа может служить комплекс гликолипидов с нитроцеллюлозой или поливинилиденфторидом. Благодаря данным чипам можно без особо труда определить последовательность неизвестных олигосахаридов, опираясь на структуру вступивших с ними в связь белков. И, наоборот, по взаимодействию сахаров с мембраной можно идентифицировать неизвестные белки.

В практическом отношении применение микрочипов позволяет:

• ставить точный диагноз болезни: до ее начала или на начальной стадии её развития
• прогнозировать развитие болезни, ее исход;
• находить вирусы или бактерии;
• определять нахождение в организме раковых клеток;
• проводить изучение химических соединений для исследования их лекарственных свойств;

Существует несколько способов изготовления биочипов.

Метод фотолитографии.

Таким способом чипы наращивают из стеклянных пластинок с использованием микромасок. Причем на каждом таком чипе расположено до нескольких десятков тысяч уникальных фрагментов ДНК. Затем полученный биочип гибридизуют с ДНК.

Есть и другой подход к изготовлению микрочипов, когда готовые последовательности однонитевой ДНК пришивают к чипу.

Наличие в устройстве биоматериала позволяет без труда определять нужные соединения в смеси, не прибегая к дополнительным операциям, поэтому в настоящее время процесс определения качества донорской крови, обнаружения спор сибирской язвы, проведения криминалистических анализов, выявления начальной стадии онкологических заболеваний менее трудоемок и занимает считанные часы.

В биотехнологии можно встретить такое понятие, как биосенсор.

Биосенсор — аналитическое устройство, в преобразователь которого встроен биоматериал, находящийся в непосредственном с ним контакте.

Биосенсор состоит из 5 основных компонентов:

• анализируемого вещества;
• биохимического преобразователя — превращает информацию о физических/химических связях в сигнал;
• физического преобразователя — фиксирует сигнал от биологической системы распознавания;
• электроники, отвечающей за отображение результатов в доступной форме.

Выделяют два вида биосенсоров:

1. Биоафинные-свойства молекул биодатчика меняются вследствие взаимодействия молекул биоселективного элемента с молекулами исследуемого раствора. Изменения свойств датчика представляют собой «сигнал», пропорциональный концентрации анализируемой смеси.

2. Фермент-метаболические БС — образование сигнала обусловлено результатом взаимодействия фермента с субстратом.

Выделяют оптические, акустические, электрохимические и термические биосенсоры. Основным критерием данной классификации является тип преобразователя.

Оптические биосенсоры – устройства, основанные на явлениях люминесценции, поглощения, рассеивания, поляризации или преломления света.

По оптическим каналам и светодиодам передается порождаемый биохимическим преобразователем первичный сигнал в виде света. Оптические биосенсоры помехоустойчивы к электромагнитному фону, однако они подвержены фотовыцветанию и вымыванию индикатора. Большим достоинством данного типа биосенсоров является то, что их можно устанавливать в опасных и вредных для здоровья условиях [1]. Фитохром, зрительный родопсин, бактериородопсин используются в качестве светочувствительных БС.

Интерес к биосенсорам растет. Они получили большое распространение в биотехнологии. В настоящее время ведется разработка по увеличению срока службы термически неустойчивых биосенсоров.

Список литературы:

1. Биосенсоры: основы и приложения / Под ред. Э. Тернера и др. М.: Мир, 1992. — 614 с.
2. Основы взаимодействия физических полей с биологическими объектами: Воздействие ионизирующего и оптического излучения: Учеб. пособие/ Под ред. С.И. Щукина. М.; Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. — 240 с.; ил. (Биомедицинская инженерия в техническом университете).
3. Hueber W., Kidd B.A., Tomooka B.H., Lee B.J., Bruce B., Fries J.F., Sonderstrup G., Monach P., Drijfhout J.W., van Venrooij W.J., Utz P.J., Genovese M.C., Robinson W.H. (2005) Antigen microarray profiling of autoantibodies in rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum.; 52(9), 2645—2655.