因為老闆的關係, 我做的東西算是比較偏生物物理方面, 所謂生物物理呢, 就是利用物理來幫助解釋, 分析, 模擬, 檢測或是驗證種種不同的生物現象, 基本上其中比較大宗的有兩種, 其一是利用電腦去模擬解釋生物分子的結構及互動, 其二則是利用物理所研發出來的儀器來探測各種的生物現象. 基本上像是各種顯微鏡(穿透式電子顯微鏡TEM或原子力顯微鏡AFM等), 質譜儀, X-Ray及核磁共振等皆屬後者. 我的研究也是利用物理儀器來作生物方面的觀測, 更精確一點, 就是利用光學方法來探測生物晶片, 所以呢我想跟大家說明解釋一下啥麼是生物晶片. 生物晶片字面直接翻譯自英文Bio-chip, chip就是晶片, 大家電腦裡面都有所謂的積體電路晶片(或稱半導體晶片), 它的目的就是要能在小小的面積裡作出相當大的應用. 生物晶片的另一個英文是Micro-array, 就是微米(micro)等級的陣列(array), 簡單來說生物晶片就是把生物分子以相當小的尺寸(直徑大約50到200微米), 也就是相當大的密度規則地排列在某些固體基座上, 以便作接下來的檢測, 這些生物分子可以是任何你體內的東西, 從蛋白質, DNA, 醣類, 酯類, 甚至是細胞, 或是其他人工化學合成的小分子及藥物等. 下面這張圖是一個包含5,800個蛋白質的生物晶片, 以螢光方式檢測(H. Zhu et. al., Science 293, 2101 (2001)).
生物晶片的優點主要有下面兩個: 第一, 因為尺寸小, 所以它所需要的生物樣品量相當的少; 第二, 因為密度大, 所以它能提供快且大量(High-throughput)的檢測. 在應用方面, 它可以用來檢測基因的表現(Gene expression), 將基因的片段製成生物晶片, 再和螢光標示(Fluorescence-label)的已知cDNA或RNA反應來獲得這些未知片段的資訊; 另一個應用則是藥物的篩選(Screening), 將所有天然或合成的藥物候選者製成生物晶片, 在和特定的病毒或細菌(通常是他們的部分特定醣類或蛋白質)反應, 以篩選出少數的可能有效藥物. 以目前的生物晶片製造技術及設備來說, 在正常的玻璃片(1公分x3公分)上可以排列超過10,400個不同的生物分子, 並能在數分鐘到數小時內完成相關的檢測. 當然呢這個製造生物晶片的儀器也是相當的重要, 目前我們實驗室有的OmniGrid 100(BST Scientific)是一台可以大量量產生物晶片的機器, 它最多可同時製造100片, 存放超過25,000種不同的生物樣品, 並且可以利用電腦自動化來完成所有的製成. (圖片來源: BST Scientific)
在生物晶片製成後, 接著就是如何檢測的問題, 這也是我的研究所著重的地方. 基本上呢, 螢光標示是一像相當傳統, 快速, 方便又具有高靈敏度的檢測方法, 將欲檢測的反應物(我們稱之為probe)連結上某些螢光分子, 再和生物晶片(上面的生物分子我們稱為target)反應後, 接著利用某些波長的激發光來激發這些螢光分子, 並偵測它放射光的強度, 這個強度的大小代表著螢光分子的數量, 同時也間接的代表著反應物的數量, 所以藉由相對當亮度就可得知probe和各種不同target的反應強度, 如第1張圖所示. 但是呢這個螢光標示也有一些無法避免的缺點, 像是這個連結的過程相當麻煩且費時費力, 不同的螢光分子間無法作定量上的比較, 以及最重要的, 將這些分子連結到反應物上會影響到它本來的結構或特性, 進而影響了反應的程度. 因此我的研究主要是利用生物分子的物理特性, 在它的密度或厚度改變的同時(也就是反應發生時), 對於不同光的折射率也會隨之改變, 而藉由偵測這個折射率的變化, 便可得知反應的強度及快慢. p.s. 這邊牽扯到相當多的物理, 以後有空再慢慢說. 所以這個技術(我們稱為OI-RD)是不用標示的(Label-free), 但是同樣可以運用在生物晶片的偵測上, 作大量且快速的檢驗. 下面這張圖是一個包含2,760個蛋白質的生物晶片, 以OI-RD偵測(Y. Fei et. al., Rev. Sci. Instrum. 79, 013708 (2008)).
(關於我的研究 -- 未完待續)
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