바이오칩

Biochip
바이오칩에는 수백 개의 겔 방울이 보인다.

분자생물학에서 바이오칩은 다수의 동시 생화학 반응을 수용할 수 있는 공학 기질("소형화된 실험실")이다.바이오칩 기술의 목표 중 하나는 질병 진단에서 생물 테러 요인의 검출에 이르기까지 잠재적인 응용 분야와 함께 많은 생물학적 분석 물질을 효율적으로 선별하는 것입니다.예를 들어, 디지털 마이크로 유체 바이오 칩은 생물의학 분야에서 응용을 위해 조사 중이다.디지털 마이크로유체 바이오칩에서 마이크로유체 어레이 내의 (인접한) 셀군은 유체방울을 동적으로 [1]반송할 뿐만 아니라 기억, 기능적 조작으로서 기능하도록 구성할 수 있다.

역사

개발은 기초 센서 기술에 대한 초기 작업으로부터 시작되었습니다.최초의 휴대용 화학 기반 센서 중 하나는 1922년 [2]휴즈에 의해 발명된 유리 pH 전극이었다.교환 사이트를 사용하여 선택성 막을 만드는 기본 개념은 이후 몇 년 동안 다른 이온 센서를 개발하는 데 사용되었습니다.예를+ 들어, K [3]센서는 얇은 막에 발리노마이신을 함유하여 생성되었습니다.

1953년 왓슨과 크릭은 현재 친숙한 DNA 분자의 이중나선 구조를 발견했다고 발표했고 오늘날까지 [4]이어지는 유전학 연구의 장을 마련했다.1977년 길버트와 생어가[6] 개발한 염기서열 분석 기술은 연구자들이[5] 단백질 합성에 대한 지시를 제공하는 유전자 코드를 직접 읽을 수 있게 했다.이 연구는 상보적인 단일 올리고뉴클레오티드 가닥의 교잡화가 DNA 감지의 기초로 어떻게 사용될 수 있는지를 보여주었다.두 가지 추가적인 개발이 현대 DNA 기반에 사용되는 기술을 가능하게 했다.먼저 1983년 캐리 멀리스는 DNA 농도를 증폭하는 방법인 중합효소 연쇄반응([4]PCR) 기술을 발명했다.이 발견은 샘플에서 극소량의 DNA를 검출하는 것을 가능하게 했다.두 번째로 1986년 Hood와 동료들은 DNA 분자에 방사선 [7]라벨 대신 형광 태그를 부착하는 방법을 고안하여 혼성 실험을 광학적으로 관찰할 수 있게 했다.

그림 1바이오칩은 감지 실험 결과를 출력하기 위해 마이크로 어레이 기술 외에 변환 및 신호 처리 기술이 필요한 플랫폼입니다.

그림 1은 일반적인 바이오칩 플랫폼의 구성을 나타내고 있습니다.실제 감지 컴포넌트(또는 "칩")는 완전한 분석 시스템의 일부일 뿐입니다.변환은 실제 감지 이벤트(DNA 결합, 산화/환원 등)를 컴퓨터가 이해할 수 있는 형식(전압, 광도, 질량 등)으로 변환해야 하며, 이를 통해 추가적인 분석과 처리가 인간이 읽을 수 있는 최종 출력을 생성할 수 있다.성공적인 바이오 칩을 만들기 위해 필요한 여러 기술(화학 감지, 마이크로 어레이, 신호 처리 등)은 진정한 다원적 접근법을 필요로 하므로 진입 장벽이 가파르게 됩니다.최초의 상업용 바이오칩 중 하나는 Affymetrix에 의해 도입되었다.그들의 "GeneChip" 제품은 p53 (종양 억제제) 그리고 BRCA1과 BRCA2 [8](유방암과 관련된)와 같은 유전자의 결함, 또는 단일 뉴클레오티드 다형성(SNP)을 감지하는 데 사용하기 위해 수천 개의 개별 DNA 센서를 포함하고 있습니다.칩은 집적회로를 제작하는 데 전통적으로 사용되던 마이크로 리소그래피 기술을 사용하여 생산됩니다(아래 참조).

마이크로 어레이 제작

DNA 바이오칩의 3D Sarfus 이미지

마이크로 어레이(고밀도 2차원 바이오센서 그리드)는 바이오칩 플랫폼의 중요한 구성요소입니다.일반적으로 센서는 평평한 기판 위에 퇴적되어 있으며, 패시브(실리콘 또는 유리 등) 또는 액티브 기판은 신호 전달을 수행하거나 지원하는 통합 전자 장치 또는 마이크로메니컬 장치로 구성됩니다.표면화학은 센서 분자를 기판매체에 공유결합하기 위해 사용된다.마이크로어레이의 제작은 단순하지 않으며 미래의 바이오칩 플랫폼의 성공을 좌우할 수 있는 주요 경제 및 기술 장벽입니다.주요 제조 과제는 각 센서를 기판의 특정 위치(일반적으로 데카르트 그리드)에 배치하는 프로세스입니다.배치에는 다양한 방법이 있지만 일반적으로 마이크로 피펫[9] 또는 마이크로 프린팅 시스템은[10] 센서 재료의 작은 부분을 칩 표면에 배치하기 위해 사용됩니다.각 센서는 고유하기 때문에 한 번에 몇 개만 배치할 수 있습니다.이 프로세스의 스루풋이 낮기 때문에 제조원가가 높아집니다.

Fodor와 동료들은 한 [11][12]번에 하나의 뉴클레오티드에 수십만 개의 독특한 단일 가닥 DNA 센서를 조합적으로 합성하기 위해 일련의 마이크로 리소그래피 단계를 사용하는 독특한 제작 공정(나중에 Affymetrix에 의해 사용됨)을 개발했다.염기형마다 1개의 리소그래피 단계가 필요하므로, 뉴클레오티드 레벨당 총 4개의 단계가 필요하다.이 기술은 많은 센서를 동시에 만들 수 있다는 점에서 매우 강력하지만, 현재는 짧은 DNA 가닥(15~25개의 뉴클레오티드)을 만드는 데만 가능하다.신뢰성과 비용 요소에 따라 수행할 수 있는 포토 리소그래피 단계 수가 제한됩니다.또한, 현재 단백질 또는 다른 감지 분자에 대해서는 광방향 조합 합성 기술이 가능하지 않다.

위에서 설명한 바와 같이, 대부분의 마이크로 어레이는 센서들의 데카르트 그리드로 구성됩니다.이 접근법은 주로 각 센서의 좌표를 해당 기능에 매핑하거나 "인코딩"하는 데 사용됩니다.이러한 배열의 센서는 일반적으로 범용 신호 전달 기법(예: 형광)을 사용하므로 좌표를 유일한 식별 특징으로 한다.이러한 어레이는 각 센서가 올바른 위치에 배치되도록 하기 위해 직렬 프로세스(즉, 여러 순차적 단계 필요)를 사용하여 생성되어야 합니다.

센서가 칩 상의 임의의 위치에 배치되는 "랜덤" 제작은 직렬 방식의 대안입니다.번거롭고 비용이 많이 드는 위치 결정 프로세스가 필요하지 않으므로 병렬화된 자가 조립 기술을 사용할 수 있습니다.이 방법에서는 동일한 센서의 대규모 배치를 생성할 수 있습니다. 각 배치의 센서는 조합되어 어레이로 조립됩니다.각 센서를 식별하려면 비좌표 기반 인코딩 방식을 사용해야 합니다.그림에서 보듯이, 이러한 디자인은 식각된 광케이블의 [13][14]웰에 랜덤하게 배치된 기능화된 비즈를 사용하여 처음 시연(나중에 Illlumina에 의해 상용화됨)되었습니다.각 비드는 형광 시그니처로 고유하게 부호화되었습니다.단, 이 부호화 방식에서는 사용할 수 있는 고유 염료 조합의 수가 제한되어 있어 정상적으로 구별할 수 있습니다.

단백질 바이오칩 어레이 및 기타 마이크로 어레이 테크놀로지

마이크로어레이는 DNA 분석에 국한되지 않고 단백질 마이크로어레이, 항체 마이크로어레이, 화학 화합물 마이크로어레이도 바이오칩을 사용하여 생성할 수 있습니다.Randox Laboratories Ltd는 2003년에 최초의 단백질 바이오칩 어레이 테크놀로지 분석기인 Evidence를 출시했습니다.단백질 바이오칩 어레이 기술에서 바이오칩은 반응 플랫폼으로서 ELISA 플레이트 또는 큐벳을 대체합니다.바이오칩은 단일 샘플에서 관련 테스트 패널을 동시에 분석하여 환자 프로파일을 생성하는 데 사용됩니다.환자 프로파일은 질병 선별, 진단, 질병 진행 모니터링 또는 치료 모니터링에 사용할 수 있습니다.다중화(Multiplexing)라고 하는 여러 분석을 동시에 수행하면 처리 시간과 필요한 환자 샘플 양을 크게 줄일 수 있습니다.바이오칩 어레이 기술은 샌드위치, 경쟁력 및 항체포착 면역측정법을 사용하는 익숙한 방법론의 새로운 응용 프로그램입니다.기존 면역측정법과의 차이점은 포획 리간드가 용액 내가 아니라 순서 있는 배열로 바이오칩 표면에 공유적으로 부착된다는 것이다.

샌드위치 어세이에서는 효소 라벨 부착 항체를 사용하고, 경쟁 어세이에서는 효소 라벨 부착 항원을 사용한다.항체-항원 결합에서 화학발광 반응은 빛을 생성한다.검출은 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라로 이루어집니다.CCD 카메라는 매우 낮은 수준의 빛을 정확하게 감지하고 정량화할 수 있는 민감하고 고해상도 센서입니다.테스트 영역은 그리드 패턴을 사용하여 찾은 다음, 개별 분석물을 신속하고 동시에 정량화하기 위해 이미징 소프트웨어를 통해 화학 발광 신호를 분석합니다.

바이오칩은 마이크로 물리측정학 분야에서도 사용됩니다(예: 스킨온어칩[15] 애플리케이션).

다른 어레이 기술에 대한 자세한 내용은 항체 마이크로 어레이를 참조하십시오.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "High-Level Synthesis of Digital Microfluidic Biochips" (PDF). Duke University.
  2. ^ W. S. Hughes, "유리와 물과 접촉하는 전해질 사이의 전위차" J. Am. 화학, Soc. 44, 2860–2866, 1922
  3. ^ J. S. 슐츠와 R. F.화학 및 생물학적 센서 핸드북의 테일러, J. S. 슐츠 및 R. F.Taylor, eds., ch. 화학 및 생물학적 센서 소개, 1~10페이지, 필라델피아, 물리학 연구소, 1996년
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  9. ^ M. 셰나, D.Shalon, R. W. Davis, P. O. Brown, "보완적 DNA 미세 배열로 유전자 발현 패턴의 정량적 모니터링", Science 270, 467–470, 1995년
  10. ^ G. McBeath, A. N. Koehler, S. L. Schreiber는 "작은 분자를 마이크로 어레이로 인쇄하고 단백질-리간드 상호작용을 대량으로 검출하는 것"이라고 J. Am. 화학, Soc. 121, 페이지 7967-7968, 1999
  11. ^ S. P. Fodor, J. L. Read, M. C. Pirrung, L. Stryer, A. T. Lu, D.Solas, "빛 지향적이고 공간적으로 다룰 수 있는 병렬 화학 분석", Science 251, 767–773, 1991년
  12. ^ A. C. Pease, D.Solas, E. J. Sullivan, M. T. Cronin, C. P. Holmes 및 S. P. Fodor, "신속한 DNA 배열 분석을 위한 빛 생성 올리고뉴클레오티드 배열" Natl. Acad. SCI. 91, 페이지 5022-5026, 1994
  13. ^ F. J. 스팀스, J. A.퍼거슨, D. R. 월트, "임의의 순서로 배열된 광섬유 유전자 배열로 라벨이 없는 DNA 표적을 스크리닝" 네이처 바이오테크놀로지 18, 페이지 91~94, 2000
  14. ^ K. L. 마이클, L. C.Taylor, S. L. Schultz 및 D. R. Walt, "주소 지정 가능한 고밀도 광센서 어레이" 분석화학 70, 1242–1248, 1998
  15. ^ Alexander, F., Egert, S., Wiest, J:스킨 온 어 칩:자동화된 공기-액체 인터페이스를 통한 경피 전기 저항 및 세포 외 산성화 측정, Genes, 2018, 9/2, 114; doi:10.3390/genes9020114