Bioçip - Biochip
Olarak moleküler biyoloji , biyoçipler substratlar aynı anda biyokimyasal reaksiyonların sayıda barındırabilir ( "minyatür laboratuarlar") olarak tasarlanmıştır. Biyoçip teknolojisinin hedeflerinden biri, hastalık teşhisinden biyoterörizm ajanlarının tespitine kadar çeşitli potansiyel uygulamalarla çok sayıda biyolojik analiti verimli bir şekilde taramaktır . Örneğin, dijital mikroakışkan biyoçipler , biyomedikal alanlardaki uygulamalar için araştırma altındadır. Dijital bir mikroakışkan biyoçipte, mikroakışkan dizideki bir grup (bitişik) hücre, depolama, işlevsel işlemler ve ayrıca sıvı damlacıklarını dinamik olarak taşımak için yapılandırılabilir.
Tarih
Geliştirme, altta yatan sensör teknolojisi üzerindeki erken çalışmayla başladı . İlk taşınabilir, kimya tabanlı sensörlerden biri, 1922'de Hughes tarafından icat edilen cam pH elektroduydu . Geçişli membranlar oluşturmak için değişim alanlarını kullanmanın temel konsepti, sonraki yıllarda diğer iyon sensörlerini geliştirmek için kullanıldı. Örneğin, valinomisinin ince bir membrana dahil edilmesiyle bir K + sensörü üretildi .
1953'te Watson ve Crick , DNA moleküllerinin artık tanıdık çift sarmal yapısını keşfettiklerini duyurdular ve günümüze kadar devam eden genetik araştırmalar için zemin hazırladılar . 1977'de Gilbert ve Sanger tarafından sekanslama tekniklerinin geliştirilmesi (ayrı ayrı çalışarak) araştırmacıların protein sentezi için talimatlar sağlayan genetik kodları doğrudan okumalarını sağladı . Bu araştırma , tamamlayıcı tek oligonükleotid ipliklerinin hibridizasyonunun DNA algılama için bir temel olarak nasıl kullanılabileceğini gösterdi. İki ek gelişme, modern DNA tabanlı teknolojide kullanılan teknolojiyi sağlamıştır. İlk olarak 1983'te Kary Mullis , DNA konsantrasyonlarını yükseltmek için bir yöntem olan polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) tekniğini icat etti . Bu keşif, numunelerde son derece küçük miktarlarda DNA'nın tespitini mümkün kıldı. İkinci olarak 1986'da Hood ve meslektaşları DNA moleküllerini radyo etiketler yerine floresan etiketlerle etiketlemek için bir yöntem geliştirdiler , böylece hibridizasyon deneylerinin optik olarak gözlemlenmesini sağladılar.
Şekil 1, tipik bir biyoçip platformunun yapısını göstermektedir. Gerçek algılama bileşeni (veya "çip"), eksiksiz bir analiz sisteminin yalnızca bir parçasıdır. İletimi gerçek algılama etkinliği çevirmek için yapılması gereken (DNA bağlama oksidasyon / indirgeme , vb bir bilgisayar ile (anlaşılabilir bir format halinde) gerilim , ışık yoğunluğu, kütle, vs daha sonra ilave analiz ve bir üretilmesi için işlem sağlar), son, insan tarafından okunabilir çıktı. Algılama kimyasından mikro diziye ve sinyal işlemeye kadar başarılı bir biyoçip yapmak için gereken birden fazla teknoloji , girişin önündeki engeli dikleştiren gerçek bir multidisipliner yaklaşım gerektirir. İlk ticari biyoçiplerden biri Affymetrix tarafından tanıtıldı . "GeneChip" ürünleri, p53 (bir tümör baskılayıcı) ve BRCA1 ve BRCA2 (meme kanseriyle ilgili ) gibi genlerdeki kusurları veya tek nükleotid polimorfizmlerini (SNP'ler) algılamak için binlerce ayrı DNA sensörü içerir . Çipler, geleneksel olarak entegre devreleri imal etmek için kullanılan mikrolitografi teknikleri kullanılarak üretilir (aşağıya bakınız).
Mikroarray fabrikasyonu
Mikro dizi - biyosensörlerin yoğun, iki boyutlu ızgarası - bir biyoçip platformunun kritik bileşenidir. Tipik olarak sensörler, pasif ( ör. Silikon veya cam) veya aktif olabilen düz bir substrat üzerine yerleştirilir ; ikincisi, sinyal iletimini gerçekleştiren veya buna yardımcı olan entegre elektronik veya mikromekanik cihazlardan oluşur . Yüzey kimyası , sensör moleküllerini substrat ortamına kovalent olarak bağlamak için kullanılır . Mikrodizilerin üretimi önemsiz değildir ve nihai olarak gelecekteki biyoçip platformlarının başarısına karar verebilecek önemli bir ekonomik ve teknolojik engeldir. Temel üretim zorluğu, her bir sensörün alt tabaka üzerinde belirli bir konuma (tipik olarak bir Kartezyen ızgarasında) yerleştirilmesi sürecidir . Yerleştirmeyi başarmak için çeşitli yollar vardır, ancak tipik olarak robotik mikro pipetleme veya mikro baskı sistemleri, çip yüzeyine küçük sensör malzemesi lekeleri yerleştirmek için kullanılır. Her sensör benzersiz olduğundan, bir seferde yalnızca birkaç nokta yerleştirilebilir. Bu işlemin düşük iş hacmi doğası, yüksek üretim maliyetlerine neden olur.
Fodor ve meslektaşları , her seferinde bir nükleotid bir substrat üzerinde yüz binlerce benzersiz, tek iplikli DNA sensörünü birleştirmek için bir dizi mikrolitografi adımının kullanıldığı benzersiz bir üretim süreci geliştirdiler (daha sonra Affymetrix tarafından kullanıldı ) . Her taban türü için bir litografi adımı gereklidir; bu nedenle nükleotid seviyesi başına toplam dört adım gereklidir. Bu teknik, birçok sensörün aynı anda oluşturulabilmesi açısından çok güçlü olmasına rağmen, şu anda yalnızca kısa DNA zincirleri (15-25 nükleotid) oluşturmak için uygundur. Güvenilirlik ve maliyet faktörleri, yapılabilecek fotolitografi adımlarının sayısını sınırlar. Ayrıca, ışığa yönelik kombinatoryal sentez teknikleri, proteinler veya diğer algılama molekülleri için şu anda mümkün değildir.
Yukarıda belirtildiği gibi, çoğu mikro dizi, Kartezyen bir algılayıcı ızgarasından oluşur. Bu yaklaşım esas olarak her sensörün koordinatını kendi işlevine eşlemek veya "kodlamak" için kullanılır. Bu dizilerdeki sensörler tipik olarak evrensel bir sinyalleme tekniği ( örn. Floresans) kullanır, böylece koordinatları tek tanımlama özelliği haline getirir. Bu diziler , her bir sensörün doğru konuma yerleştirildiğinden emin olmak için bir seri işlem kullanılarak ( yani birden çok, ardışık adım gerektiren) yapılmalıdır .
Sensörlerin çip üzerinde rastgele konumlara yerleştirildiği "rastgele" üretim, seri yönteme bir alternatiftir. Sıkıcı ve pahalı konumlandırma süreci gerekli değildir ve paralelleştirilmiş kendi kendine montaj tekniklerinin kullanılmasını sağlar. Bu yaklaşımda, aynı sensörlerin büyük partileri üretilebilir; her partideki sensörler daha sonra birleştirilir ve bir dizi halinde birleştirilir. Her bir sensörü tanımlamak için koordinat tabanlı olmayan bir kodlama şeması kullanılmalıdır. Şekilde görüldüğü gibi, böyle bir tasarım ilk olarak kazınmış bir fiber optik kablonun oyuklarına rastgele yerleştirilen işlevselleştirilmiş boncuklar kullanılarak gösterildi (ve daha sonra Illumina tarafından ticarileştirildi) . Her bir boncuk, bir floresan imza ile benzersiz bir şekilde kodlandı. Bununla birlikte, bu kodlama şeması, kullanılabilen ve başarıyla ayırt edilebilen benzersiz boya kombinasyonlarının sayısıyla sınırlıdır.
Protein biyoçip dizisi ve diğer mikroarray teknolojileri
Mikro diziler DNA analizi ile sınırlı değildir ; protein mikrodizileri , antikor mikrodizisi , kimyasal bileşik mikrodizisi ayrıca biyoçipler kullanılarak üretilebilir. Randox Laboratories Ltd., 2003 yılında ilk protein Biyoçip Dizisi Teknolojisi analizörü olan Evidence'ı piyasaya sürdü. Protein Biyoçip Dizisi Teknolojisinde biyoçip , reaksiyon platformu olarak ELISA plakasının veya küvetinin yerini alıyor . Biyoçip, tek bir numunede ilgili testlerin bir panelini eşzamanlı olarak analiz etmek ve bir hasta profili oluşturmak için kullanılır. Hasta profili hastalık taramasında, teşhisinde , hastalığın ilerlemesinin izlenmesinde veya tedavinin izlenmesinde kullanılabilir. Çoklama olarak tanımlanan birden fazla analizin aynı anda yapılması, işlem süresinde ve gerekli hasta numunesi miktarında önemli bir azalmaya izin verir. Biochip Array Teknolojisi, sandviç, rekabetçi ve antikor yakalama immünolojik testlerini kullanan, tanıdık bir metodolojinin yeni bir uygulamasıdır . Geleneksel bağışıklık tahlillerinden farkı, yakalama ligandlarının biyoçipin yüzeyine çözelti yerine sıralı bir dizide kovalent olarak bağlanmasıdır.
Sandviç deneylerinde enzim etiketli bir antikor kullanılır; rekabetçi tahlillerde enzim etiketli bir antijen kullanılır. Antikor-antijen bağlanması üzerine bir kemilüminesans reaksiyonu ışık üretir. Tespit, şarj bağlı cihaz (CCD) kamera ile yapılır. CCD kamera, çok düşük ışık seviyelerini doğru bir şekilde algılayıp ölçebilen hassas ve yüksek çözünürlüklü bir sensördür. Test bölgeleri bir ızgara modeli kullanılarak konumlandırılır ve ardından kemilüminesans sinyalleri, tek tek analitleri hızlı ve eşzamanlı olarak ölçmek için görüntüleme yazılımı tarafından analiz edilir.
Biyoçipler ayrıca mikrofizyometri alanında, örn., Skin-on-a-chip uygulamalarında kullanılır.
Diğer dizi teknolojileri hakkında ayrıntılar için, bkz. Antikor mikroarray .