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Chip genético - "Asistente de la bioinformación"
- Una breve discusión sobre el papel de las matemáticas y las computadoras en la investigación moderna de las ciencias de la vida
El siglo XX es la física. siglo de la ciencia, y el siglo XXI es el siglo de las ciencias de la vida. El rápido desarrollo de las ciencias de la vida, especialmente la biotecnología, no sólo está estrechamente relacionado con la salud humana, el desarrollo agrícola y el medio ambiente, sino que también promoverá el desarrollo de otras disciplinas, la llamada "ciencia de hoy, tecnología de mañana y del pasado". la producción de mañana" ". La investigación básica en ciencias de la vida es la fuente de la biotecnología moderna y la clave para la innovación científica y tecnológica.
La biotecnología moderna es una materia que lidera la tecnología de vanguardia. Por eso, me gustaría saber cómo se relaciona orgánicamente con las matemáticas: mi carrera profesional, la informática y otras teorías o tecnologías. En base a esto, utilicé mi tiempo libre para consultar muchos sitios web y libros, y obtuve algunos pequeños avances. Ahora analicemos brevemente la tecnología del “chip genético” de la siguiente manera.
1. Introducción a los chips genéticos
Los chips genéticos, también llamados chips de ADN, son productos de alta tecnología desarrollados a mediados de los años noventa. El tamaño de un chip genético es aproximadamente del tamaño de una uña y su matriz suele ser una lámina de vidrio procesada. La superficie base de cada chip se puede dividir en decenas de miles o millones de células. En un área designada se puede inmovilizar una gran cantidad de moléculas de ácido nucleico (también llamadas sondas moleculares) con funciones específicas y una secuencia de aproximadamente 20 bases.
Debido a que las sondas moleculares inmovilizadas forman diferentes conjuntos de sondas en la matriz, utilizando los principios de hibridación molecular y procesamiento paralelo, los chips genéticos pueden realizar la detección molecular de material genético, por lo que pueden usarse para investigación genética y forense. Medicina, identificación, detección de enfermedades y detección de drogas, etc. La tecnología de chips genéticos tiene una eficiencia, velocidad y características multiparamétricas incomparables. Es una importante innovación y un salto en la biotecnología tradicional, como la tecnología de detección, hibridación, tipificación y secuenciación de ADN.
2. Tecnología de chips genéticos
La tecnología de biochips nació a principios de los años 90 con el buen avance del Proyecto Genoma Humano y se basa en la fotolitografía de semiconductores en el proceso de producción de circuitos integrados. Esta tecnología de miniaturización integra muchos procesos de análisis discontinuos y discretos en la investigación actual en ciencias biológicas, como la preparación de muestras, reacciones químicas y métodos de detección cualitativos y cuantitativos, en un chip de silicio o de vidrio del tamaño de una uña, lo que hace que el proceso de análisis sea. continuo y miniaturizado. Es decir, la tecnología que actualmente requiere de varios laboratorios y salas de inspección se puede convertir en un analizador bioquímico portátil con diferentes usos, de modo que el proceso de análisis biológico se pueda automatizar completamente, la velocidad de análisis se pueda aumentar miles de veces y la Las muestras requeridas pueden reducirse miles de veces. Es previsible que en un futuro próximo los analizadores en miniatura fabricados con él se utilicen ampliamente en biología molecular, investigación médica básica, diagnóstico y tratamiento clínico, desarrollo de nuevos fármacos, identificación forense, supervisión de la higiene alimentaria, guerra con armas biológicas y otros campos.
La tecnología de biochips es una de las tecnologías de análisis de ADN con mejores perspectivas de aplicación en la actualidad. Los objetos de análisis pueden ser ácidos nucleicos, proteínas, células, tejidos, etc. En la actualidad, el uso de biochips para el diagnóstico de enfermedades aún se encuentra en etapa de investigación en todo el mundo. Se han utilizado en el extranjero para observar la expresión y mutaciones de algunos genes de enfermedades genéticas, como los oncogenes y la atrofia muscular.
La tecnología Biochip también se puede utilizar para el tratamiento. Por ejemplo, se ha desarrollado un chip de 4 milímetros cuadrados con 400 agujas que contienen fármacos, que pueden inyectar fármacos a los pacientes a intervalos regulares. Además, los científicos también están considerando la posibilidad de crear microbombas con biochips que liberen insulina a intervalos regulares para tratar la diabetes y marcapasos con chips que puedan insertarse en el corazón. La combinación de tecnología de biochips y química combinatoria abrirá otra dirección de aplicación extremadamente valiosa, es decir, proporcionar tecnología de plataforma de detección de rendimiento ultraalto para el desarrollo de nuevos medicamentos, lo que seguramente conducirá a importantes avances en la investigación y el desarrollo de nuevos Medicamentos y evaluación de ingredientes de las medicinas tradicionales chinas.
3. Ejemplos de aplicación de tecnología de chips genéticos
1. Descifrado de genes
Actualmente, el "Proyecto Genoma Humano" en el que participan científicos de muchos países se esfuerza por lograrlo. lograr los objetivos de 21 A principios de siglo se trazó el mapa de la disposición completa de los cromosomas humanos. Como todos sabemos, los cromosomas son los portadores del ADN y los genes son fragmentos de ADN que tienen efectos genéticos. Las unidades básicas del ADN son cuatro bases. Dado que cada persona tiene 3 mil millones de pares de bases, descifrar la secuencia de bases de todo el ADN es sin duda un proyecto enorme. Los chips genéticos pueden descifrar el genoma humano y detectar mutaciones genéticas miles de veces más rápido que la tecnología tradicional de secuenciación genética.
La razón principal por la que la velocidad de detección del chip genético es tan rápida es que hay miles de microgeles en el chip genético, que se pueden probar en paralelo, porque los microgeles son tres; -dimensional, equivale a proporcionar una plataforma de detección tridimensional que puede fijar proteínas y ADN y analizarlos.
Estados Unidos está llevando a cabo investigaciones sobre chips genéticos y ha desarrollado un "chip genético" que puede descifrar rápidamente códigos genéticos, lo que hace que el descifrado de genes humanos sea 1.000 veces más rápido que en la actualidad. La Figura 1 muestra un dispositivo de detección de genes con un chip genético integrado.
2. Diagnóstico genético
Mediante el uso de chips genéticos para analizar el genoma humano, se pueden encontrar los genes genéticos que causan enfermedades. El cáncer, la diabetes, etc. son enfermedades causadas por defectos genéticos hereditarios. Los investigadores médicos y biológicos podrán identificar, en segundos, genes mutados que en última instancia provocan cáncer y más. Con la ayuda de una pequeña gota de líquido de prueba, los médicos pueden predecir la eficacia de un fármaco en un paciente, diagnosticar reacciones adversas al fármaco durante el tratamiento e identificar en el acto qué tipo de infección bacteriana, viral o microbiana padece el paciente. sufriendo. El uso de chips genéticos para analizar genes genéticos permitirá que la tasa de diagnóstico de diabetes alcance más del 50% en 10 años.
En el futuro, cuando las personas se sometan a exámenes físicos, un robot de diagnóstico equipado con un chip genético extraerá sangre del sujeto y los resultados del examen físico se mostrarán en la pantalla de la computadora en un instante. Utilizando el diagnóstico genético, la atención médica avanzará de la era de la "atención médica masiva" uniforme a la era de la "atención médica personalizada" que varía según los genes genéticos individuales.
3. Protección genética del medio ambiente
Los chips genéticos también tienen un gran potencial en la protección del medio ambiente. Los chips genéticos pueden detectar eficazmente la contaminación causada por microorganismos o materia orgánica y también pueden ayudar a los investigadores a encontrar y sintetizar genes de enzimas naturales que pueden desintoxicar y digerir los contaminantes. Una vez que se descubran estos genes respetuosos con el medio ambiente, los investigadores los transferirán a bacterias comunes y luego utilizarán las bacterias genéticamente modificadas para limpiar ríos o suelos contaminados.
4. Computación genética
Las moléculas de ADN son similares a "discos de computadora" y tienen la función de guardar, copiar y reescribir información. Si la molécula de ADN en espiral se endereza, su longitud excederá la altura de una persona, pero si se pliega, se puede reducir a una pequeña bola con un diámetro de sólo unas pocas micras. Por lo tanto, las moléculas de ADN se consideran memoria molecular de gran capacidad y densidad ultraalta.
Los chips genéticos se han mejorado y pueden usarse para crear computadoras biológicas utilizando diferentes estados biológicos para expresar diferentes números. Basados en chips genéticos y algoritmos genéticos, en el futuro campo de la bioinformática habrá empresas de bioinformática que puedan competir con el gigante actual del hardware de la industria informática, Intel Corporation, y con el gigante del software, Microsoft Corporation.
4. Aplicaciones prácticas de los chips genéticos
Los chips genéticos tienen un valor de aplicación extremadamente importante en los campos de las ciencias biológicas, la investigación médica, la protección del medio ambiente y la agricultura. Impulsada por chips genéticos, la humanidad está entrando en una nueva era de información biológica.
1. Por primera vez, científicos estadounidenses implantaron un chip de computadora al que llamaron biochip en células humanas, conectando así células humanas a computadoras. Así lo revelaron el científico estadounidense Boris Lubinsky y su colega Huang Yong (transliteración) en un artículo publicado en la revista estadounidense "Biomedical Microdevices" en marzo.
2. Las células humanas están rodeadas por una membrana celular, que tiene la función de permitir el paso de sustancias específicas en una dirección. Durante años, los científicos han buscado formas de utilizar descargas eléctricas para introducir las sustancias deseadas en las membranas celulares, pero hasta ahora los métodos utilizados a veces han tenido éxito y otras han fracasado. Utilizando el nuevo método desarrollado por Lubinsky y Huang Yong, la membrana celular recibe una señal de la computadora para permitir que ciertas sustancias ingresen a la célula. Dependiendo de la situación específica, estas sustancias pueden ser, por ejemplo, material genético utilizado para modificar genes, o pueden ser fármacos o proteínas. De esta manera, estas sustancias pueden ser más efectivas.
Científicos como Rubinsky planean desarrollar biochips que puedan emitir instrucciones a tejidos humanos como células nerviosas y músculos, lo que al menos hará que los medicamentos que toman las personas sean más efectivos. Morillo Frari, director del Centro de Ingeniería Biomédica de la Universidad Estatal de Ohio, calificó el invento de Rubinski como una herramienta de laboratorio potencialmente útil en sus primeras etapas de desarrollo.
Científicos estadounidenses dicen haber encontrado un chip de bioingeniería que permite que las células y los circuitos humanos se apareen, lo que podría desempeñar un papel clave en la medicina y la ingeniería genética.
Este microdispositivo, que es más pequeño y delgado que un cabello, combina células humanas sanas con un chip electrónico y controla el chip a través de una computadora. Los científicos creen que pueden controlar las actividades de las células.
El ordenador envía impulsos eléctricos al chip celular, estimulando la apertura de los poros de la membrana celular y activando las células. Los científicos esperan producir estos chips celulares en grandes cantidades e implantarlos en el cuerpo humano para reemplazar o corregir el tejido enfermo.
Boris Lubinsky, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de California, quien dirigió la investigación, dijo: "Los chips celulares también permiten a los científicos controlar con mayor precisión procesos complejos de terapia génica porque pueden abrir la célula con mayor precisión". los poros con precisión."
Lubinski también dijo: "Hemos introducido la esencia de la ingeniería en el campo de la biología, y podemos importar ADN sin afectar otras células circundantes, extrayendo proteínas e inyectando drogas".
La aparición del chip celular está vinculada a una antigua teoría de que una cierta cantidad de voltaje puede atravesar las membranas celulares.
Durante años, los científicos han estado realizando investigaciones genéticas bombardeando células con electricidad, con la esperanza de introducir nuevos tratamientos y material genético. Los investigadores esperan crear eventualmente chips celulares sintonizados con la cantidad precisa de voltaje necesaria para activar diferentes tejidos del cuerpo, desde los músculos hasta los huesos y el cerebro. En ese caso, se utilizarán miles de chips celulares para tratar diversos tipos de enfermedades.
3. El primer chip genético aplicado de China, desarrollado de forma independiente utilizando tecnología original, nació oficialmente recientemente en la Primera Universidad Médica Militar.
Según el responsable de la Primera Universidad Médica Militar, el chip genético desarrollado con éxito por la Universidad Médica Militar es la primera vez que China aplica una tecnología innovadora de amplificación de chips genéticos y ha tomado la liderar la superación de los problemas de sus homólogos del continente en la investigación de chips genéticos. El primer desafío es recolectar decenas de miles de sondas genéticas de manera rápida y económica, y utilizar inteligentemente nueva tecnología para reducir significativamente los costos.
En la actualidad, el chip ha completado el trabajo de laboratorio y está a punto de entrar en la etapa de verificación clínica. Si todo va bien, se espera que pronto se produzcan en masa chips genéticos para diagnóstico clínico. Pero hasta ahora, no existe en el mundo una producción real de chips genéticos para el diagnóstico de aplicaciones clínicas.
En el laboratorio, estos chips genéticos, que eran ligeramente más grandes que la punta de un pulgar, se colocaron en el detector, e inmediatamente aparecieron en la pantalla del ordenador puntos fluorescentes rojos, verdes y verdes entrecruzados. conectado a ellos, cada punto fluorescente que aparece es un entramado de fragmentos de genes. Simplemente tome una gota de sangre del paciente y colóquela en la tarjeta de prueba con chip. Después de la hibridación molecular, se puede conectar a una computadora para mostrar inmediatamente los cambios genéticos y usar la computadora para traducir el lenguaje genético en información que el médico pueda. entender, haciendo así un diagnóstico de la enfermedad preciso.
El nacimiento exitoso de este chip marca el avance del diagnóstico de enfermedades desde el nivel de células y tejidos hasta el nivel genético. Su desarrollo y aplicación mostrarán amplias perspectivas en el control de la contaminación ambiental, la cuarentena de animales y plantas, el trasplante de órganos, el diagnóstico prenatal, la detección y el desarrollo de fármacos, etc.
5. Las ciencias de la vida se han convertido gradualmente en el foco de las empresas de TI.
La noticia de la finalización del boceto del trabajo del genoma humano ha abierto la puerta a los tesoros de Alibaba, el mercado de las ciencias de la vida. La tecnología genética como núcleo está atrayendo cada vez a más buscadores de oro. Recientemente, han llamado la atención las acciones proactivas de las empresas de tecnología de la información (TI) que producen "palas" para estos buscadores de oro.
1. Desentrañar el misterio de los genes requiere descifrar grandes cantidades de datos
El borrador del genoma humano sólo se lee en el “Libro de la Vida”, pero es necesario comprenderlo verdaderamente. y revelar todos los códigos genéticos. La información representada también debe descifrar la gran cantidad de datos.
En el famoso Centro Sanger del Reino Unido, los datos sobre el genoma humano han alcanzado los 22 billones de bytes, lo que supone más del doble del contenido de la colección más importante del mundo de la Biblioteca del Congreso. El centro estima que la cantidad de datos relacionados con el genoma humano aumentará entre 50 y 100 billones de bytes en los próximos dos o tres años.
2. Las empresas de ciencias biológicas invierten un 10% en el desarrollo de tecnologías de la información
Para resolver el problema de la enorme potencia informática necesaria para procesar datos, las 12 empresas de ciencias biológicas más grandes del mundo. Actualmente, las empresas casi el 10% del presupuesto de investigación científica se utilizan para inversiones en tecnología de la información, y es probable que esta proporción crezca.
Según estimaciones de International Business Machines Corporation (IBM), el mercado de tecnología de la información relacionado con las ciencias biológicas alcanzará los 3.500 millones de dólares este año y alcanzará los 9.000 millones de dólares en 2003.
3. Enorme potencial de mercado
Algunas empresas de TI de renombre han puesto sus ojos en este mercado con enorme potencial. Por ejemplo, IBM ha decidido invertir 100 millones de dólares para desarrollar un superordenador llamado "Blue Gene" en cinco años.
La potencia informática de "Blue Gene" será 40 veces la potencia informática combinada de las 40 supercomputadoras más rápidas de los Estados Unidos. Se utiliza principalmente para simular el proceso de plegado de proteínas humanas en formas especiales. Compaq, el mayor fabricante de ordenadores personales del mundo, también codicia este trozo de "grasa".
4. Compaq comienza temprano a cultivar una futura base de clientes
Compaq, que se ha convertido en un importante proveedor de servidores informáticos en el campo de las ciencias biológicas, anunció recientemente que seguirá invirtiendo. 100 millones de dólares para apoyar a las empresas biotecnológicas emergentes a cultivar futuras bases de clientes.
De hecho, las empresas de TI están lejos de centrarse únicamente en estos intereses a corto plazo. La bioeconomía basada en la investigación genética puede convertirse en una parte importante de la nueva economía del nuevo siglo, y la gente ya ha llegado a cierta comprensión de esto.
5. Los creadores de estándares industriales pueden disfrutar de enormes beneficios económicos.
Según la experiencia pasada, la mayoría de las empresas que son las primeras en ingresar al mercado pueden convertirse en creadores de estándares industriales. Enormes beneficios económicos.
En agosto de este año salieron a bolsa las acciones de la alemana Lion Life Sciences. Debido a que los inversores son optimistas de que el sistema de recuperación de secuencias genéticas (SRS) de la empresa puede convertirse en un nuevo estándar de la industria, el precio de sus acciones ha aumentado rápidamente un 50% en un corto período de tiempo.
6. Apoyo gubernamental a la investigación genética
La entrada de las empresas de TI en el campo de las ciencias biológicas es inseparable del apoyo de los gobiernos a la investigación genética. Para tomar la delantera en la competencia internacional de análisis de la estructura de las proteínas, la siguiente etapa de la investigación del genoma, muchos países han tomado activamente medidas para promover la integración de la industria de la información y la industria biológica.
Por ejemplo, Japón organizó no hace mucho la "Alianza de Investigación sobre Informatización de la Bioindustria", una alianza a gran escala entre el gobierno, la industria y el mundo académico. Los participantes en esta organización incluyen productos farmacéuticos, alimentos, biología, química, etc. Además de las empresas relacionadas con la ciencia genética, también hay muchas empresas de informática.
Resumen: La comunidad científica reconoce que la tecnología de biochips supondrá una revolución para las ciencias biológicas y la investigación médica en el próximo siglo. Actualmente, los científicos chinos están acelerando el desarrollo de esta nueva tecnología que puede extraer ADN de forma rápida y cómoda y buscar características genéticas. ¡Creo que el resultado de esta unión entre la biología moderna y la alta tecnología contribuirá enormemente al desarrollo del siglo XXI!