——談數學和計算機在現代生命科學研究中的作用。
20世紀是物理科學的世紀，21世紀是生命科學的世紀。生命科學尤其是生物技術的迅速發展，不僅與人類健康、農業發展和生存環境密切相關，而且將促進其他學科的發展。所謂“今天科學，明天技術，後天生產”。生命科學的基礎研究是現代生物技術的源泉，是科技創新的關鍵。
現代生物技術是引領前沿科學技術的學科。為此，我很想知道它與數學、我的專業課、計算機等理論或技術是如何有機聯系的。基於此，我利用業余時間查閱了很多網站和書籍，有所收獲。現在就“基因芯片”技術，談以下幾點。
壹、基因芯片介紹
基因芯片，也叫DNA芯片，是20世紀90年代中期發展起來的高科技產品。基因芯片大小如指甲蓋，其基質通常是經過加工的玻璃片。每個芯片的基底表面可以分成數萬到數百萬個細胞。可以在指定的細胞中固定大量具有特定功能、長度約為20個堿基序列的核酸分子(也稱為分子探針)。
由於固定化的分子探針在基底上形成不同的探針陣列，利用分子雜交和平行處理的原理，基因芯片可用於遺傳物質的分子檢測，因此可用於基因研究、法醫鑒定、疾病檢測和藥物篩選。基因芯片技術具有高效、快速、多參數等無可比擬的特點，是檢測、雜交、分型、DNA測序等傳統生物技術的重大創新和飛躍。
第二，基因芯片技術
生物芯片技術是隨著20世紀90年代初人類基因組計劃的順利進行而誕生的。它通過集成電路制造過程中半導體光刻等微型化技術，將生命科學研究中許多不連續、離散的分析過程，如樣品制備、化學反應、定性定量檢測等，集成在指甲蓋大小的矽片或玻璃片上，使這些分析過程連續化、微型化。也就是把需要幾個實驗室、檢驗室才能完成的技術，做成不同用途的便攜式生化分析儀，使生物分析過程全自動化，分析速度提高幾千倍，所需樣品和化學試劑減少幾千倍。可以預見，在不久的將來，由其制成的微型分析儀將廣泛應用於分子生物學、基礎醫學研究、臨床診療、新藥開發、司法鑒定、食品衛生監督、生物武器戰爭等領域。
生物芯片技術是目前最有前景的DNA分析技術之壹，分析對象可以是核酸、蛋白質、細胞和組織。目前國際上利用生物芯片診斷疾病尚處於研究階段，國外已用於觀察癌基因、肌肉萎縮等壹些遺傳病的表達和突變。
生物芯片技術也可以用於治療。例如，開發了壹個4平方毫米的芯片，其中有400個裝滿藥物的針頭，可以定期定量地向患者註射藥物。此外，科學家們還在考慮制造定期釋放胰島素來治療糖尿病的生物芯片微型泵和可以植入心臟的芯片起搏器。生物芯片技術與組合化學的結合將開辟另壹個有價值的應用方向，即為新藥研發提供超高通篩選平臺技術，必將在新藥研發和中藥評價方面取得重大突破。
3.基因芯片應用技術實例
1，基因解碼
目前，由多國科學家參與的“人類基因組計劃”正試圖繪制出21世紀初完整的人類染色體排列圖譜。眾所周知，染色體是DNA的載體，基因是對DNA有遺傳作用的片段，DNA的基本單位是四個堿基。既然每個人都有30億個堿基對，那麽破譯所有DNA的堿基序列無疑是壹個巨大的工程。與傳統的基因測序技術相比，基因芯片可以破譯人類基因組，檢測基因突變的速度要快上千倍。
基因芯片檢測速度這麽快，主要是因為基因芯片上有上千個微凝膠，可以並行檢測；同時，由於微凝膠是三維的，相當於提供了壹個三維的檢測平臺，可以固定蛋白質和DNA並進行分析。
美國正在研究基因芯片，開發出了壹種可以快速解讀基因密碼的“基因芯片”，使解讀人類基因的速度比目前提高了1000倍。圖1顯示了具有嵌入式基因芯片的基因檢測裝置。
2.基因診斷
用基因芯片分析人類基因組，可以找出致病基因。癌癥和糖尿病都是基因缺陷導致的疾病。醫學和生物學研究人員將能夠在幾秒鐘內識別出最終導致癌癥等的突變基因。借助壹小滴試液，醫生可以預測藥物對患者的療效，診斷藥物在治療過程中的不良反應，並當場鑒定患者感染的是哪種細菌、病毒或其他微生物。利用基因芯片分析遺傳基因，將使10年後糖尿病的診斷率達到50%以上。
未來，當人們進行體檢時，裝有基因芯片的診斷機器人將從受試者身上抽取血液，體檢結果可以在壹瞬間顯示在電腦屏幕上。利用基因診斷，醫療將從“大眾醫療”時代進步到根據個體基因而異的“定制醫療”時代。
3.基因環保
基因芯片在環保方面也大有可為。基因芯片可以高效地檢測微生物或有機物造成的汙染，也可以幫助研究人員發現和合成具有解毒和消化功能的天然酶基因。壹旦發現這種環保基因，研究人員會將其轉移到普通細菌中，然後用這種轉基因細菌來清理被汙染的河流或土壤。
4、基因計算
DNA分子類似於“電腦磁盤”，具有保存、復制和重寫信息的功能。把螺旋DNA分子拉直會超過人的身高，但如果折疊起來，可以縮小成直徑只有幾微米的球。因此，DNA分子被視為超高密度、大容量的分子存儲器。
基因芯片得到了改進，在不同的生物狀態下表達不同的數字後，也可以用來制作生物計算機。基於基因芯片和遺傳算法的生物信息學企業將在未來出現，可以與今天的計算機硬件巨頭——英特爾公司和軟件巨頭——微軟公司相抗衡。
第四，基因芯片的實際應用
基因芯片在生命科學、醫學研究、環境保護和農業方面具有極其重要的應用價值。在基因芯片的推動下，人類正在進入壹個全新的生物信息時代。
1.在美國，科學家首次將壹種他們稱為生物芯片的計算機芯片植入人體細胞，從而將人體細胞與計算機連接起來。這是美國科學家鮑裏斯·魯賓斯基和他的同事黃勇在3月份的《生物醫學微型器件》雜誌上披露的。
2.人體細胞外面包有壹層細胞膜，具有使特定物質單向通過的功能。多年來，科學家壹直在尋找通過電擊使所需物質進入細胞膜的方法，但到目前為止，使用的方法有時成功，有時失敗。使用魯賓斯基和黃勇開發的新方法，細胞膜從計算機中獲得信號，從而允許壹些物質進入細胞。根據具體情況，這些物質可以是例如用於改變基因、藥物或蛋白質的遺傳物質。這樣，這些物質可以變得更有效。
魯賓斯基和其他科學家打算開發能夠向神經細胞和肌肉等人體組織發出指令的生物芯片，這至少會使人們服用的藥物更加有效。俄亥俄州立大學生物醫學工程中心主任Moriro Flary稱Rubinski的發明是壹種潛在的早期開發實驗室工具。
美國科學家表示，他們發現了壹種生物工程芯片，可以將人類細胞與電路配對，這種芯片可以在醫學和遺傳工程中發揮關鍵作用。
這種比頭發還細的微小裝置將健康的人體細胞與電子芯片結合在壹起，由電腦控制。科學家認為他們可以控制細胞的活動。
計算機向細胞芯片發送電脈沖，刺激細胞膜毛孔張開，激活細胞。科學家希望大規模生產這種細胞芯片，並將其植入人體，以替換或糾正患病組織。
領導這項研究的加州大學機械工程教授鮑裏斯·魯賓斯基(Boris Rubinski)說:“細胞芯片也使科學家能夠在復雜的基因治療過程中更準確地控制，因為它們可以更準確地打開細胞孔。”
魯賓斯基還說:“我們在生物學領域引入了工程學的精髓。我們可以完全導入DNA、提取蛋白質和註射藥物，而不會影響周圍的其他細胞。”
細胞芯片的出現與壹個由來已久的理論有關，即壹定量的電壓可以穿透細胞膜。
多年來，科學家壹直在對用電轟擊細胞的實驗進行基因研究，希望引入新的療法和基因材料。研究人員希望最終生產出壹種細胞芯片，它與激活不同身體組織所需的精確電壓量兼容，從肌肉到骨骼到大腦。那樣的話，成千上萬的細胞芯片將被用來治療各種疾病。
3.我國首個應用原創技術自主研發的基因芯片近日在第壹軍醫大學正式誕生。
據第壹軍醫大學相關負責人介紹，本次軍醫大學研發成功的基因芯片，是我國首次應用創新的基因芯片擴增技術，率先克服了大陸同行在基因芯片研究中面臨的快速、經濟地采集數萬個基因探針的難題，並巧妙運用新的技術手段，明顯降低了成本。
目前，該芯片已經完成實驗室工作，即將進入臨床驗證階段。如果進展順利，用於臨床診斷的基因芯片有望很快投入量產。但到目前為止，國際上還沒有用於臨床診斷的基因芯片生產。
在實驗室裏，這些比拇指蓋略大的基因芯片放在探測器上，與之相連的電腦屏幕上立即出現縱橫交錯的紅綠綠熒光點，每個熒光點呈現為壹個個基因片段的點陣。只要將患者的壹滴血放在芯片檢測卡上，經過分子雜交後，連接到電腦上，基因的變化就可以立即顯示出來，通過電腦將基因語言翻譯成醫生能夠理解的信息，從而對疾病做出準確的診斷。
這種芯片的成功誕生，標誌著對疾病的診斷已經從細胞和組織的層面提升到基因的層面。它們的開發和應用將在環境汙染控制、動植物檢疫、器官移植、產前診斷、藥物篩選、藥物開發等方面顯示出廣闊的前景。
五、生命科學逐漸成為IT公司關註的焦點。
人類基因組草圖繪制完成的消息打開了阿裏巴巴的寶藏之門，以基因技術為核心的生命科學市場正在吸引越來越多的淘金者。最近，為這些淘金者生產鐵鍬的信息技術(IT)公司的積極行動引起了相當大的關註。
1，揭開基因之謎需要破譯大量數據。
人類基因組的草圖只讀了生命之書，但要真正理解它，揭示所有基因密碼所代表的信息，就必須破譯海量的數據。
在英國著名的桑格中心，關於人類基因組的數據已經達到22萬億字節，是世界領先的國會圖書館內容的兩倍多。根據該中心的估計，在未來兩到三年內，與人類基因組相關的數據量將上升到50萬億到100萬億字節。
2.生命科學公司10%投資用於發展信息技術。
為了解決處理數據所需的巨大計算能力問題，全球最大的12家生命科學公司目前將近10%的研究預算用於信息技術，而且這壹比例可能還會增加。
據IBM估計，與生命科學相關的信息技術市場今年將達到35億美元，2003年將達到90億美元。
3.市場潛力巨大。
壹些知名的IT公司已經將目光投向了這個巨大的潛在市場。例如，IBM已經決定在5年內投資6543.8億美元開發壹臺名為“藍色基因”的超級計算機。
“藍色基因”的計算能力將是美國最快的40臺超級計算機的40倍。主要用於模擬人體蛋白質折疊成特殊形狀的過程。全球最大的個人電腦制造商康柏公司也覬覦這塊“肥肉”。
4.康柏應該盡早培養未來的客戶群。
已經成為生命科學領域計算機服務器主要供應商的康柏公司最近宣布，將繼續投資6543.8億美元支持新興的生物技術公司，以培養未來的客戶群。
其實IT企業遠不止盯著這些短期利益。人們已經認識到，以基因研究為基礎的生物經濟可能成為新世紀新經濟的重要組成部分。
5.行業標準制定者可以享受巨大的經濟利益。
根據以往的經驗，率先進入市場的公司大多能夠成為行業標準的制定者，這往往意味著巨大的經濟利益。
今年8月，德國獅子生命科學公司股票上市。由於投資者看中該公司的基因序列檢索系統(SRS)可能成為新的行業標準，其股價在短時間內迅速上漲了50%。
6.政府支持基因研究。
IT公司進軍生命科學領域，離不開各國政府對基因研究的支持。為了在基因組研究的下壹階段——分析蛋白質結構——的國際競爭中保持領先，許多國家積極采取措施促進信息產業和生物產業的結合。
比如不久前日本組織了“生物產業信息化研究財團”，其中不僅有制藥、食品、生物、化工等與基因科學相關的企業參與，還有很多計算機公司。
摘要:科學界公認，生物芯片技術將在下個世紀給生命科學和醫學研究帶來壹場革命。目前，中國科學家正在加速開發這項新技術，它可能會快速方便地提取DNA並找到遺傳特征。我相信現代生物學和高科技的聯姻將為21世紀的發展做出巨大貢獻！