진 칩 - "생물정보 마법사"
- 현대 생명과학 연구에서 수학과 컴퓨터의 역할에 대한 간략한 논의
20세기는 물리학입니다. 과학의 세기, 21세기는 생명과학의 세기입니다. 생명과학, 특히 생명공학의 급속한 발전은 인간의 건강, 농업 발전 및 생활 환경과 밀접하게 관련될 뿐만 아니라 소위 '오늘의 과학, 내일의 기술, 그리고 미래'라는 다른 학문의 발전도 촉진할 것입니다. 내일 생산" ". 생명과학의 기초연구는 현대 생명공학의 원천이자 과학기술 혁신의 핵심입니다.
현대생명공학은 첨단기술을 선도하는 과목이기 때문에 제가 전공한 전공과목인 수학, 컴퓨터 등의 이론이나 기술과 어떻게 유기적으로 연결되어 있는지 알고 싶습니다. 이를 바탕으로 나는 여가 시간을 활용하여 많은 웹사이트와 책을 확인했고, 약간의 이득을 얻었습니다. 이제 '유전자 칩' 기술에 대해 간략하게 설명하자면 다음과 같다.
1. 유전자 칩 소개
DNA 칩이라고도 불리는 유전자 칩은 1990년대 중반에 개발된 첨단 제품이다. 유전자 칩의 크기는 손톱 크기 정도이며, 그 매트릭스는 일반적으로 가공된 유리 시트입니다. 각 칩의 베이스 표면은 수만에서 수백만 개의 셀로 나눌 수 있습니다. 지정된 영역에는 특정 기능과 약 20개의 염기 서열을 가진 다수의 핵산 분자(분자 프로브라고도 함)가 고정될 수 있습니다.
고정화된 분자 프로브는 분자 혼성화 및 병렬 처리 원리를 사용하여 매트릭스에 서로 다른 프로브 배열을 형성하기 때문에 유전자 칩은 유전 물질의 분자 검출을 수행할 수 있으므로 유전학 연구 및 법의학에 사용될 수 있습니다. 의약품 식별, 질병 탐지 및 약물 스크리닝 등 유전자 칩 기술은 비교할 수 없는 효율성, 속도 및 다중 매개변수 특성을 가지고 있습니다. 이는 검출, 혼성화, 타이핑 및 DNA 시퀀싱 기술과 같은 전통적인 생명공학의 주요 혁신이자 도약입니다.
2. 유전자칩 기술
바이오칩 기술은 1990년대 초반 인간게놈프로젝트의 순조로운 진행과 함께 탄생했다. 이러한 소형화 기술은 현재 생명과학 연구에서 시료 전처리, 화학 반응, 정성적, 정량적 검출 방법 등 많은 불연속적이고 이산적인 분석 과정을 손톱 크기의 실리콘 칩이나 유리 칩에 통합하여 이러한 분석 과정을 구현합니다. 지속적이고 소형화되었습니다. 즉, 현재 여러 개의 실험실과 검사실이 필요한 기술을 다양한 용도의 휴대용 생화학 분석기로 만들어 생물학적 분석 과정을 완전 자동화하고 분석 속도를 수천 배 향상시킬 수 있으며, 필요한 샘플을 만들 수 있습니다. 화학 시약이 수천 배 감소됩니다. 가까운 미래에는 이를 이용해 만든 소형 분석기가 분자 생물학, 기초 의학 연구, 임상 진단 및 치료, 신약 개발, 법의학 식별, 식품 위생 감독, 생물학 무기 전쟁 및 기타 분야에서 널리 사용될 것으로 예상됩니다.
바이오칩 기술은 현재 가장 활용 가능성이 높은 DNA 분석 기술 중 하나로, 분석 대상은 핵산, 단백질, 세포, 조직 등이 될 수 있다. 현재 질병 진단을 위한 바이오칩의 활용은 전 세계적으로 여전히 연구 단계에 있으며, 해외에서는 종양유전자, 근위축 등 일부 유전질환 유전자의 발현과 돌연변이를 관찰하는 데 사용되고 있다.
바이오칩 기술은 치료에도 활용될 수 있다. 예를 들어 4제곱밀리미터 크기의 칩에 약물을 담은 바늘 400개가 개발돼 일정한 간격으로 환자에게 약물을 주입할 수 있다. 또한, 과학자들은 당뇨병 치료를 위해 정기적으로 인슐린을 방출하는 바이오칩 마이크로펌프와 심장에 삽입할 수 있는 칩 박동기의 제작도 고려하고 있습니다. 바이오칩 기술과 조합화학의 결합은 또 다른 매우 귀중한 응용 방향을 열어줄 것입니다. 즉, 신약 개발을 위한 초고처리량 스크리닝 플랫폼 기술을 제공하는 것입니다. 약품의 성분평가와 한약재의 성분평가.
3. 유전자칩 응용기술 사례
1. 유전자 해독
현재 세계 각국의 과학자들이 참여하는 '휴먼 게놈 프로젝트'가 진행되고 있다. 21의 목표 달성 인간 염색체의 완전한 배열은 세기 초에 지도화되었습니다.
우리 모두 알고 있듯이 염색체는 DNA의 운반체이고, 유전자는 유전적 영향을 미치는 DNA 조각입니다. DNA의 기본 단위는 4가지 염기입니다. 각 사람은 30억 개의 염기쌍을 가지고 있기 때문에 모든 DNA의 염기서열을 해독하는 것은 의심할 여지 없이 거대한 프로젝트입니다. 기존의 유전자 염기서열 분석 기술과 비교하여 유전자 칩은 인간 게놈을 해독하고 유전자 돌연변이를 수천 배 더 빠르게 감지할 수 있습니다.
유전자 칩의 검출 속도가 이렇게 빠른 주된 이유는 유전자 칩에 수천 개의 마이크로겔이 있어서 동시에 테스트할 수 있기 때문입니다. 마이크로겔은 3개이기 때문입니다. -차원적, 단백질과 DNA를 고정하고 분석할 수 있는 3차원 검출 플랫폼을 제공하는 것과 같습니다.
미국은 유전자 칩에 대한 연구를 진행 중인데, 유전자 코드를 빠르게 해독할 수 있는 '유전자 칩'을 개발해 현재보다 인간 유전자의 해독 속도가 1000배 빨라졌다. 그림 1은 유전자 칩이 내장된 유전자 검출 장치를 보여줍니다.
2. 유전자 진단
유전자 칩을 이용해 인간 게놈을 분석하면 질병을 일으키는 유전 유전자를 찾아낼 수 있다. 암, 당뇨병 등은 모두 유전적 결함으로 인해 발생하는 질병입니다. 의학 및 생물학 연구자들은 궁극적으로 암 등을 유발하는 돌연변이 유전자를 단 몇 초 만에 식별할 수 있습니다. 의사는 소량의 검사액을 사용하여 환자에 대한 약물의 효과를 예측하고, 치료 중 약물에 대한 부작용을 진단하고, 환자가 어떤 종류의 박테리아, 바이러스 또는 기타 미생물 감염인지 즉석에서 확인할 수 있습니다. 고통 받고 있습니다. 유전자칩을 이용해 유전자 유전자를 분석하면 10년 내 당뇨병 진단율이 50% 이상에 이를 수 있다.
미래에는 사람들이 신체검사를 받을 때 유전자칩을 장착한 진단로봇이 피험자의 혈액을 채취해 신체검사 결과를 컴퓨터 화면에 순식간에 표시하게 된다. 유전자진단을 활용하면 의료는 획일적인 '대량의료' 시대에서 개인의 유전적 유전자에 따라 달라지는 '맞춤의료' 시대로 발전하게 된다.
3. 유전적 환경 보호
유전자 칩은 환경 보호에도 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 유전자칩은 미생물이나 유기물로 인한 오염을 효율적으로 감지할 수 있으며, 연구자들이 오염물질을 해독하고 소화할 수 있는 천연 효소 유전자를 찾아 합성하는 데에도 도움을 줄 수 있습니다. 이런 친환경 유전자가 발견되면 연구자들은 이를 일반 박테리아에 이식한 뒤, 유전자 변형 박테리아를 활용해 오염된 강이나 토양을 정화할 예정이다.
4. 유전자 컴퓨팅
DNA 분자는 '컴퓨터 디스크'와 유사하며 정보를 저장하고 복사하고 다시 쓰는 기능을 가지고 있습니다. 나선 DNA 분자를 곧게 펴면 그 길이가 사람 키보다 커지지만, 접으면 직경이 수 마이크론에 불과한 작은 공으로 줄어들 수 있다. 따라서 DNA 분자는 초고밀도, 대용량 분자기억장치로 간주된다.
유전자 칩이 개선되어 다양한 생물학적 상태를 이용해 다양한 숫자를 표현함으로써 생물학적 컴퓨터를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 유전자 칩과 유전자 알고리즘을 기반으로 미래의 생물정보학 분야에는 오늘날의 컴퓨터 산업 하드웨어 거대 기업인 인텔사와 소프트웨어 거대기업인 마이크로소프트사와 경쟁할 수 있는 생물정보학 기업들이 있을 것입니다.
4. 유전자 칩의 실용화
유전자 칩은 생명 과학, 의학 연구, 환경 보호 및 농업 분야에서 매우 중요한 응용 가치를 가지고 있습니다. 유전자칩을 중심으로 인류는 새로운 생물학적 정보시대를 맞이하고 있습니다.
1. 미국 과학자들은 처음으로 바이오칩이라고 불리는 컴퓨터 칩을 인간 세포에 이식하여 인간 세포와 컴퓨터를 연결했습니다. 이는 미국 과학자 보리스 루빈스키(Boris Lubinsky)와 그의 동료 황용(음역)이 지난 3월 미국 '바이오메디컬 마이크로디바이스(Biomedical Microdevices)' 매거진에 게재한 기사에서 공개됐다.
2. 인간의 세포는 세포막으로 둘러싸여 있는데, 세포막은 특정 물질을 한 방향으로 통과시키는 기능을 가지고 있습니다. 수년 동안 과학자들은 전기 충격을 사용하여 원하는 물질을 세포막에 넣는 방법을 찾으려고 노력했지만 지금까지 사용된 방법은 성공할 때도 있고 실패할 때도 있습니다. Lubinsky와 Huang Yong이 개발한 새로운 방법을 사용하면 세포막은 컴퓨터로부터 신호를 받아 특정 물질이 세포 안으로 들어갈 수 있게 됩니다.
특정 상황에 따라 이러한 물질은 예를 들어 유전자를 변형하는 데 사용되는 유전 물질일 수도 있고 약물이나 단백질일 수도 있습니다. 이러한 방식으로 이러한 물질의 효과를 더욱 향상시킬 수 있습니다.
루빈스키와 다른 과학자들은 신경 세포나 근육과 같은 인간 조직에 지시를 내릴 수 있는 바이오칩을 개발할 계획이며, 이를 통해 적어도 사람들이 약물을 더 효과적으로 복용할 수 있게 될 것입니다. 오하이오 주립대학교 생의학 공학 센터 소장인 Morillo Frari는 Rubinsky의 발명품이 개발 초기 단계에서 잠재적으로 유용한 실험실 도구라고 말했습니다.
미국 과학자들이 인간 세포와 회로의 결합을 가능하게 하는 생명공학 칩을 발견했다고 밝혔는데, 이는 의학과 유전공학에서 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.
머리카락보다 작고 얇은 이 마이크로 장치는 건강한 인간 세포와 전자칩을 결합해 컴퓨터를 통해 칩을 제어하는 역할을 한다고 과학자들은 믿고 있다.
컴퓨터는 세포 칩에 전기 펄스를 보내 세포막 구멍이 열리도록 자극하고 세포를 활성화시킵니다. 과학자들은 그러한 세포 칩을 대량 생산하여 인체에 이식하여 병든 조직을 대체하거나 교정할 수 있기를 바라고 있습니다.
이번 연구를 주도한 캘리포니아대학교 기계공학과 보리스 루빈스키 교수는 “세포칩은 또한 세포를 더 정확하게 열 수 있기 때문에 과학자들이 복잡한 유전자 치료 과정을 더 정확하게 제어할 수 있게 해준다”고 말했다.
루빈스키도 “생물학 분야에 공학의 정수를 도입했고, 주변의 다른 세포에 영향을 주지 않고 DNA를 들여와서 단백질을 추출하고 약물을 주입할 수 있다”고 말했다. >
세포칩의 등장은 일정량의 전압이 세포막을 관통할 수 있다는 오랜 이론과 연결된다.
수년 동안 과학자들은 새로운 치료법과 유전 물질을 도입하기 위해 전기를 사용하여 세포에 실험을 퍼붓는 유전 연구를 수행해 왔습니다. 연구자들은 궁극적으로 근육에서 뼈, 뇌에 이르기까지 다양한 신체 조직을 활성화하는 데 필요한 정확한 양의 전압에 맞춰 조정된 세포 칩을 만들기를 희망합니다. 그렇다면 다양한 종류의 질병을 치료하는 데 사용되는 수천 개의 세포 칩이 있을 것입니다.
3. 원천기술을 이용해 독자적으로 개발한 중국 최초의 응용 유전자 칩이 최근 제1군의과대학에서 공식 탄생했다.
제1군의과대학 관계자에 따르면 군의과대학이 개발에 성공한 유전자칩은 중국이 처음으로 혁신적인 유전자칩 증폭기술을 적용해 세계 최고 수준의 기술을 확보한 것이라고 한다. 첫 번째 과제는 수만 개의 유전자 프로브를 신속하고 경제적으로 수집하고 신기술을 영리하게 사용하여 비용을 크게 줄이는 것입니다.
현재 칩은 실험실 작업을 완료해 임상 검증 단계에 진입할 예정이다. 순조롭게 진행된다면 임상진단용 유전자칩도 조만간 양산에 들어갈 것으로 예상된다. 그러나 아직까지 전 세계적으로 임상적용 진단을 위한 실제 유전자 칩 생산은 이뤄지지 않고 있다.
실험실에서 엄지손가락보다 조금 더 큰 이 유전자 칩을 탐지기에 올려놓으니 컴퓨터 화면에 빨간색, 녹색, 녹색의 형광점이 십자형으로 엇갈리게 나타나자마자 바로 나타났다. 그들에 연결되어 나타나는 각 형광점은 유전자 조각의 격자입니다. 환자의 혈액 한 방울을 채취하여 칩 테스트 카드에 올려놓으면 분자 혼성화 후 컴퓨터에 연결하여 즉시 유전적 변화를 표시할 수 있고, 컴퓨터를 사용하여 유전 언어를 의사가 확인할 수 있는 정보로 번역할 수 있습니다. 이해함으로써 질병의 정확한 진단을 내릴 수 있습니다.
이 칩의 성공적인 탄생은 질병 진단이 세포 및 조직 수준에서 유전자 수준으로 발전했음을 의미합니다. 이들의 개발 및 응용은 환경오염 관리, 동식물 검역, 장기 이식, 산전 진단, 약물 스크리닝, 약물 개발 등에 광범위한 전망을 보여줄 것입니다.
5. 점차 IT 기업의 중심이 된 생명과학
인간 게놈 작업 스케치 완성 소식으로 알리바바의 보물, 생명과학 시장의 문이 열렸다. 유전 기술을 핵심으로 점점 더 많은 금 채굴자들을 끌어들이고 있습니다. 최근 이러한 금광꾼들을 위한 '삽'을 생산하는 정보기술(IT) 기업들의 적극적인 행보가 주목받고 있다.
1. 유전자의 미스터리를 풀려면 엄청난 양의 데이터를 해독해야 한다
인간 게놈 초안은 '생명의 책'만 읽을 뿐이지만, 그것을 진정으로 이해하는 것이 필요하다. 표현된 정보는 또한 방대한 양의 데이터를 해독해야 합니다.
영국의 유명한 생어 센터(Sanger Center)의 인간 게놈 데이터는 22조 바이트에 달하며, 이는 세계 최고의 의회 도서관 컬렉션 콘텐츠의 두 배가 넘는다. 센터에서는 앞으로 2~3년 안에 인간 게놈과 관련된 데이터 양이 50조~100조 바이트까지 늘어날 것으로 추산하고 있다.
2. 10개 생명과학 기업이 정보기술 발전에 투자
데이터 처리에 필요한 막대한 컴퓨팅 파워 문제를 해결하기 위해 세계 12대 생명과학 기업 현재 정보기술 개발에 투자하고 있으며, 과학연구예산의 약 10%가 정보기술 투자에 사용되고 있으며, 이 비율은 앞으로도 증가할 것으로 예상됩니다.
IBM(International Business Machines Corporation)에 따르면 생명과학 관련 정보기술 시장 규모는 올해 35억 달러, 2003년에는 90억 달러에 이를 것으로 예상된다.
3. 거대한 시장 잠재력
일부 유명 IT 기업은 엄청난 잠재력을 지닌 이 시장에 주목하고 있습니다. 예를 들어, IBM은 '블루진(Blue Gene)'이라는 슈퍼컴퓨터를 개발하기 위해 5년에 걸쳐 1억 달러를 투자하기로 결정했습니다.
'블루진'의 컴퓨팅 파워는 미국 내 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 40대를 합친 컴퓨팅 파워의 40배에 달한다. 주로 인간 단백질이 특수한 형태로 접히는 과정을 시뮬레이션하는 데 사용된다. 세계 최대의 개인용 컴퓨터 제조업체인 Compaq도 이 "지방"을 탐내고 있습니다.
4. 미래 고객층 발굴에 조기 착수
생명과학 분야 컴퓨터 서버의 주요 공급업체로 자리매김한 컴팩은 최근 미국 투자를 이어갈 것이라고 발표했다. 미래 고객 기반을 육성하기 위해 신흥 생명공학 기업을 지원하는 데 1억 달러.
실제로 IT 기업은 이러한 단기적인 이익에만 초점을 맞추는 것 이상입니다. 유전자 연구에 기반한 바이오경제는 새로운 세기의 신경제의 중요한 부분이 될 수 있으며, 사람들은 이미 이에 대해 어느 정도 이해하고 있습니다.
5. 업계 표준 설정자는 막대한 경제적 이익을 누릴 수 있습니다.
과거 경험에 따르면 가장 먼저 시장에 진입한 대부분의 회사는 이러한 업계 표준 설정자가 될 수 있음을 의미합니다. 엄청난 경제적 이익.
올해 8월 독일 라이온라이프사이언스 주식이 상장됐다. 투자자들은 이 회사의 유전자 서열 검색 시스템(SRS)이 새로운 업계 표준이 될 수 있다고 낙관하고 있기 때문에 주가는 단기간에 50%나 급등했습니다.
6. 유전 연구에 대한 정부 지원
IT 기업의 생명과학 분야 진출은 정부의 유전 연구 지원과 불가분의 관계에 있습니다. 유전체 연구의 다음 단계인 단백질 구조분석의 국제경쟁에서 선두를 차지하기 위해 많은 국가에서는 정보산업과 바이오산업의 융합을 촉진하는 조치를 적극적으로 취해왔습니다.
예를 들어 일본은 얼마 전 정부와 산학계가 참여하는 대규모 연합인 '바이오산업 정보화 연구 연합'을 조직했다. 등. 유전 과학 관련 회사 외에도 컴퓨터 회사도 많이 있습니다.
요약: 바이오칩 기술이 다음 세기 생명과학 및 의학 연구에 혁명을 가져올 것이라는 것은 과학계에서 인정하고 있습니다. 현재 중국 과학자들은 빠르고 편리하게 DNA를 추출하고 유전적 특성을 검색할 수 있는 이 신기술 개발에 박차를 가하고 있다. 현대생물학과 첨단기술의 결합이 21세기 발전에 큰 기여를 하리라 믿습니다!