Introduction Microarray Chip Speaker : Jong-Waye Ou 2009/7/20
Outline <ul><li>Introduction </li></ul><ul><li>Background </li></ul><ul><ul><li>Gene History </li></ul></ul><ul><ul><li>Hu...
Introduction <ul><li>What is BioChip ? 生物晶片是泛指採用半導體策略於生物性分析所產生的微小化裝置,也就是將傳統大型的分析、檢驗等器具,予以微小化、積體化以及平行多工化。生物晶片通常以矽晶片、玻璃或高分子為...
<ul><li>依製程的不同可分為微陣列晶片( microarray )及實驗室晶 </li></ul><ul><li>片( lab-on-a-chip ,又稱微處理晶片),微陣列晶片依載 </li></ul><ul><li>片上的探針材質又可...
Background <ul><li>生物晶片有著許多不同的名稱。其中最常聽到的有 Microarray 、 Biochip 、 Gene chip 、 cDNA microarray 、 Protein chip 、 Tissue chip ...
Background <ul><li>在 1995 年史丹佛大學 (Stanford University) Schena 等人在 Science 雜誌上發表第一篇生物基因微陣列後,用於偵測基因表現的研究 (Gene expression pr...
基因簡史 (1) <ul><li>1865  孟德爾 (Mendel):  遺傳的基本單位是「 遺傳因子 」。 </li></ul><ul><ul><li>直至 1900 年,孟德爾的研究始終不受注意 </li></ul></ul><ul><l...
基因簡史 (2) <ul><li>科學史上最孤獨的天才 - 孟德爾 </li></ul><ul><ul><li>孟德爾發表論文 ( 遺傳法則 )後,曾印製 40 份單行本分送世界各國權威,其中包括 達爾文 。然人們在達爾文藏書中找到孟德爾論文時...
基因簡史 (3) <ul><li>科學史上最孤獨的天才 孟德爾 失敗原因 </li></ul><ul><ul><li>生不逢時,處於巨人 達爾文進化論 的陰影之下。 </li></ul></ul><ul><ul><li>馬太效應 ,達爾文進化論...
DNA Double Helix ( 雙股螺旋) (1)
DNA Double Helix ( 雙股螺旋) (2)
人類基因體計畫  (1) <ul><li>1990  啟動 人類基因體計畫   (Human Genome Project) </li></ul><ul><ul><li>以美、英、德、法、日、中國為首,共十八個國家參與序列解讀工作。 </li>...
人類基因體計畫  (2) <ul><li>1998  賽雷拉 (CELERA) 公司加入基因研究計畫 </li></ul><ul><ul><li>賽雷拉公司加入後,利用快速 DNA 自動定序儀 、使用電腦來辨識基因所在。定序期間電腦不斷利用既有...
基因小常識 <ul><li>生物體內有多少個基因? </li></ul><ul><ul><li>人類約三萬至四萬個 </li></ul></ul><ul><ul><li>蛔蟲約一萬九千個 </li></ul></ul><ul><ul><li>酵...
分子生物簡介 <ul><li>DNA </li></ul><ul><li>RNA </li></ul><ul><li>複製 (Replication) 、轉錄 (Transcription) 、轉譯 (Translation) </li></u...
核酸的發現 <ul><li>核酸的發現是從傷口的膿汁而來的 </li></ul><ul><ul><li>核酸物質在 1869 年,被 米謝 (Miescher) 所發現。他從醫院患者繃帶收集 膿汁 並作研究。選擇膿汁的理由是因為膿汁裡包含大量與...
DNA 位置 <ul><li>DNA 位於細胞核內之「 核仁 」 </li></ul>
↑ 染色體層次圖 ( 由左至右 ) ← 染色體結構圖 ( 由上至下 ) 染色體的股線緊密折疊,一般認為染色體是由很長的  DNA 雙螺旋鏈 盤捲在組織蛋白質 (histone) 分子上,像珠子串在一條線上的形式形成 染色質 (chromatin...
DNA 雙股螺旋
DNA 中核甘酸間之鍵結
核甘酸 <ul><li>核甘酸 (Nucleotide) 為核酸分子構成單元 </li></ul><ul><li>核甘酸包含: </li></ul><ul><ul><li>五碳糖 ( 去氧核糖 , deoxyribose) </li></ul>...
DNA 四種含氮鹼基
DNA 序列形狀
DNA  序列
DNA 與 RNA <ul><li>核甘酸  (Nucleotide) : </li></ul><ul><ul><li>腺嘌呤  (adenine, A) </li></ul></ul><ul><ul><li>鳥 糞 嘌呤 (guanine, ...
DNA 的長度 <ul><li>人類  DNA  總長度大約是  3  10 9   (30 億 )  鹼基對  (base pairs) </li></ul><ul><li>其中只有約 1%~1.5% 鹼基對有發揮作用 </li></ul>...
轉錄與轉譯作用
DNA 、基因 (Gene) 、蛋白質 (Protein) <ul><li>DNA:  為細胞工作之程式 </li></ul><ul><li>蛋白質 :  執行細胞賦予之工作 ( 程式 ) </li></ul>T C C AA C GG T G...
DNA 的複製 (Replication)-- 動畫
DNA  RNA  轉錄 (Transcription)  –  動畫
RNA  蛋白質 轉譯 (Translation) –  動畫
蛋白質 (Protein) 的組成 胺基酸 (Amino Acid) 為蛋白質的基本單位, 共 20 種
蛋白質分子形狀
胺基酸分子形狀
胺基酸的組成–基因密碼 <ul><li>每 三個核甘酸 (codon ,基因密碼 ) 對應至 一種胺基酸 。 </li></ul>AUG is also the “start” codon. U C A G GGU Gly [G] GGC Gl...
胺基酸小常識 <ul><li>必需胺基酸:人體無法合成,必須靠食物來攝取的胺基酸。  </li></ul><ul><li>非必需胺基酸:人體可以利用其它的物質來合成的胺基酸。 </li></ul>Asparagine Arginine  Asp...
分子生物技術綱要 <ul><li>電泳法 (electrophoresis, EP) </li></ul><ul><li>PCR (Polymerase Chain Reaction,  聚合脢鏈鎖反應 ) 放大技術 </li></ul><ul...
電泳法 <ul><li>電泳法 (electrophoresis, EP)  –  分子量測定技術 </li></ul><ul><ul><li>分子愈大、泳動愈慢 ;帶電愈大、泳動愈快 </li></ul></ul><ul><ul><li>利用...
 
SDS  有一個極性頭部  ( sodium dodecyl sulfate, 硫酸十二酯鈉 ) 與一條非極性尾巴。 因此  SDS 可以介入極性與非極性基團之間,是一種 界面活性劑 ,就是俗稱的 清潔劑 。 SDS  可以把非極性尾巴鑲入蛋白...
理論上  SDS  是很均勻的吸附到蛋白質上,因此不管原來蛋白質分子的大小,每種蛋白質分子上 所吸附的負電荷密度是相同的 。
蛋白質  Z  在左邊的  native-PAGE  中無法向下泳動,但在右邊的  SDS-PAGE  則可以依其分子量正確泳動;因此一般使用上, SDS-PAGE  的應用較廣泛。 在  SDS-PAGE  下,雖然  X  分子被解構成單元...
分子生物技術– PCR <ul><li>PCR(Polymerase Chain Reaction) 放大技術 –   DNA 複製技術 </li></ul><ul><ul><li>DNA 雙股螺旋達一定熱度以上時即會分開成為單鏈 </li><...
PCR 放大過程–動畫
 PCR 流程簡圖 PCR 機器 
分子生物技術 – 墨點技術 <ul><li>南方墨點 (Southern Blot) 、 北方墨點 (Northern Blot) 、 西方墨點 (Western Blot)  –   基因變異檢測技術 </li></ul><ul><ul><l...
<ul><li>電泳法後,將結果轉錄至濾膜上 </li></ul><ul><li>使用探針在膜上進行雜交 </li></ul><ul><li>辨識雜交結果,並對有興趣部份進行鑑定或分離 </li></ul>
分子生物技術 – 墨點技術之異同 <ul><li>南方墨點法 (Southern blotting) </li></ul><ul><ul><li>使用於 DNA 方面 </li></ul></ul><ul><li>北方墨點法 (Northern...
南方墨點法 ( 使用於 DNA) <ul><li>Step 1:  將 DNA 片段先藉瓊脂凝膠電泳分開。 </li></ul><ul><li>Step 2:  藉“轉印( blotting )”法將之轉移到一個硝酸纖維素濾膜上。 </li><...
北方墨點法 ( 使用於 RNA) <ul><li>進行步驟: </li></ul><ul><ul><li>Step 1: 使用凝膠電泳分離出 RNA 。 </li></ul></ul><ul><ul><li>Step 2: 轉移到其他的高分子擔...
西方墨點法 ( 使用於蛋白質 ) <ul><li>別名 免疫墨點法 ,主要用於偵測抗原及研究抗體、抗原間的特異性。 </li></ul><ul><li>進行步驟: </li></ul><ul><ul><li>Step 1: 抗原蛋白質膠體電泳分...
西方墨點的應用–檢測玉米是否基因改造–動畫
Biochips Design and Technology <ul><li>生物晶片原理 </li></ul><ul><li>生物晶片設備 </li></ul><ul><li>生物晶片種類 </li></ul><ul><ul><li>基因晶片...
生物晶片原理  (1) <ul><li>將數千甚至數萬個點 (spot)- 單股 DNA ,別名 探針 (probe) ,以高密度方式植在約拇指大小之晶片,利用生物結合特性做到同時大量偵測反應效果。 </li></ul><ul><ul><li>...
生物晶片原理  (2) <ul><li>一個正常細胞的 mRNA ,另一個是有經處理的 mRNA ,經反轉錄成 cDNA ,在反轉錄期間分別在 cDNA 尾端( UTP )或頭端( GTP )加入一種螢光標識,染有螢光黃( Cy3 )的及染有玫...
←  Ezspot Arrayer 左圖為生物晶片打點機,下方為其玻璃載片或薄膜載片。此機種為 DNA 及蛋白質皆適用多功能機型。
生物晶片設備  (1) <ul><li>圖一:生物晶片,一台調控電腦、氣體操作成分、及一個小室。 </li></ul><ul><li>生物晶片 是一種微型裝置,利用微電子技術將大型的儀器微小化。在微小化後的裝置上放置多種特定的生物材料,此些生物...
生物晶片設備  (2) <ul><li>圖二:一個模板上含有標準 48 個顯微鏡的玻片、 microtiter 放置在一個可裝載及卸下的模板上、沖洗及乾燥站。 </li></ul><ul><li>一般商業用的晶片機械裝備包含一個懸臂式 XYZ ...
生物晶片設備  (3) <ul><li>圖三:含有 16 針筆的 xyz 的機械手臂 。 </li></ul><ul><li>探針的裝填是相當有彈性的,可依盤數、坡片的大小及材質而點制適當的位置,而電腦控制其他成分和允許操作者輸入各種變數,如探...
Gene chip and DNA Microarray <ul><li>( 一 ) 基因晶片 (Gene chip, DNA micro-array ) :利用共軛互補的核酸為探針,整齊排列晶片之上。使用其互補序列之核酸雜交結合,藉此進行樣品...
Lab-on-a-chip <ul><li>晶片實驗室 (Lab-on-a-chip ) :整合若干微管道及微反應於一塊晶片上以完成各種樣品處理、反應或分析檢測,功能類似一個小型實驗室之縮影。依功能尚可細分成下列兩種: </li></ul><u...
Protein Chip <ul><li>( 三 ) 蛋白質晶片 :以蛋白質為生物探針,整齊的排列在晶片上,進行抗原 - 抗體免疫反應,用以檢測蛋白質。其尚待克服之技術瓶頸如下: </li></ul><ul><ul><li>有效提升結合於晶片上...
Protein Chip
生物晶片材質 <ul><li>陶瓷基複合材料(玻璃、二氧化矽) </li></ul><ul><ul><li>成本低、可重製,但破壞性容忍度差 </li></ul></ul><ul><li>熱塑性複合材料(聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯) </li><...
生物晶片載片型式
玻璃載片型式優劣比較 <ul><li>蛋白質液 易蒸發 </li></ul><ul><li>難適用於各種以水溶液為基礎之反應 </li></ul><ul><li>易交叉污染 </li></ul><ul><li>適用於標準之微陣列打點機與檢測儀器...
多孔膠墊載片型式優劣比較 <ul><li>雖可適用於水溶液為基礎之反應,然樣本需 較長之洗滌時間 </li></ul><ul><li>成本較高 </li></ul><ul><li>利用光顯影技術 (photo-lithography) 來製作基...
微孔晶片載片型式優劣比較 <ul><li>雖可適用於標準之微陣列打點機與檢測儀器,然 機器需重新排列與校正 </li></ul><ul><li>微孔各自獨立,不易產生交叉污染原別適用於蛋白質之生化反應,且反應靈敏度高,方便更換緩衝液 </li>...
Biochip Sample <ul><li>Spotted DNA arrays </li></ul><ul><li>Affymetrix gene chips </li></ul><ul><li>Ink-jet microarrays (A...
Spotted DNA arrays ( 設計製造 ) <ul><li>1. 使用 PCR 放大技術複製 DNA </li></ul><ul><li>(PCR amplification) </li></ul><ul><li>2. 使用純化技術...
Spotted DNA arrays ( 操作使用 ) <ul><li>4. 將紅色螢光加在 RNA 1 上,並將綠色螢光加在 RNA 2 上 </li></ul><ul><li>5. 將加過不同螢光的兩個 RNA 分別置於薄膜上做雜交結合  ...
Spotting Robot
Spotted DNA arrays ( 結果判讀 ) <ul><li>7. 將分別掃描之兩者影像,使用軟體結合後,可得出其合併結果如左。 </li></ul><ul><li>紅色者為 RNA 1 表現較強部份 </li></ul><ul><l...
Affymetrix gene chips ( 設計製造 ) <ul><li>運用光刻法技術 (Photolithography technology) ,將核甘酸一一建築於晶片之上,最長長度為 25mer 。 </li></ul><ul><l...
Affymetrix gene chips ( 操作使用 ) <ul><li>選用適合之晶片,在其上有大量數目之單股螺旋,長度各為 25 mers 。 </li></ul><ul><li>其中一半為完美配對 (perfectly match -...
Affymetrix gene chips ( 操作使用 ) <ul><li>將紅色螢光標記之目標 RNA 區段與晶片上之 DNA 做雜交結合。 </li></ul>
Affymetrix gene chips ( 結果判讀 ) <ul><li>結果如左圖示。結合程度較高之區域 (cells) 會顯現出較強之紅色螢光。 </li></ul><ul><li>完全不發光者則是沒有結合的區域。 </li></ul>...
生物晶片設計製造操作–動畫
Ink-jet microarrays( 設計製造 ) <ul><li>使用特殊生物墨水噴射技術,將所需之 DNA 直接“印”在晶片上,長度約為 25~60mers 。 </li></ul><ul><li>優點為設計彈性大、且製造速度快,但缺點...
Ink-jet microarrays ( 操作使用與結果判讀 ) <ul><li>Ink-jet microarrays 除設計製造方法較為特殊之外,其它操作使用與結果判讀方式與一般生物晶片並無二致。 </li></ul>
Biochip Image and data analysis <ul><li>影像擷取(尋點) </li></ul><ul><li>數值資料轉換 </li></ul><ul><li>影像正規化 </li></ul><ul><li>資料過濾 <...
影像擷取 ( 尋點 ) <ul><li>尋點 (To find a spot) </li></ul><ul><li>生物晶片上的反應點間之距離相當接近,故辨識不易。除了操作疏失外,也可能有實驗污染干擾。第一步欲正確地抓取晶片上所有的反應點位置,...
影像擷取 ( 尋點 ) <ul><li>影響電腦正確辨識反應點的因素如下: </li></ul><ul><ul><li>反應點大小或形狀不正確 (Irregular size or shape) 。 </li></ul></ul><ul><ul...
影像擷取 ( 尋點 ) <ul><li>反應點影像 可能錯誤 狀況舉例,由左至右分別為: </li></ul><ul><ul><li>無法辨識 ( 顏色過淺 ) </li></ul></ul><ul><ul><li>顏色過深 </li></ul...
數值資料轉換 <ul><li>數值資料轉換 (Convert feature into numeric data) </li></ul><ul><li>在除去各項干擾、正確判斷出反應點位置之後,接著需將反應點的影像資料轉換成電腦能比較的數值資料...
資料正規化 <ul><li>資料正規化 (Data normalization) </li></ul><ul><li>由於每次實驗環境均有小差異、且各種掃描器對影像 RGB 值等亦有不同。為免這些變數影響數值資料之正確性,每次實驗均會有實驗組及...
資料正規化範例 左圖為未正規化資料,右圖則是已正規化之資料 明顯可看出正規化後的顏色較為鮮明易辨認。
資料過濾 <ul><li>資料過濾 (Data filtering) </li></ul><ul><li>資料過濾目的在於移除條件不符的基因,以增加處理的速度及正確性。 條件不符 原因可能如下: </li></ul><ul><ul><li>異常...
分類與分群  (1) <ul><li>資料分類與分群 </li></ul><ul><li>(Data classification and clustering) </li></ul><ul><li>分類 (Classification) </...
分類與分群  (2) <ul><li>一般常見之分類方法 </li></ul><ul><li>決策樹 / 規則  (Decision Trees/Rules) </li></ul><ul><li>類神經網路  (Neural Nets) </l...
分類與分群  (3) <ul><li>資料分群的目的 </li></ul><ul><ul><li>尋找資料中的自然分類 </li></ul></ul><ul><ul><li>辨認新分類或新的基因相依關係 </li></ul></ul><ul><...
生物晶片現況  <ul><li>自 1998 年 6 月 美國 宣佈正式啟動 生物晶片計劃 後,他國亦紛紛跟進 </li></ul><ul><li>至今保守估計在美國就約有 3000 家的生物晶片公司,實際生產者約 100 家。而目前亦屬測試改...
生物晶片應用  (1) <ul><li>基因表現的藍圖  – 了解疾病與基因間的關係。 </li></ul><ul><li>毒理學上的分析  – 檢測有機毒物對特定基因之表現。 </li></ul><ul><li>基因的定序  – 同時且大量地...
生物晶片應用  (2) <ul><li>免疫反應分析  – 利用抗原抗體之結合性即可。 </li></ul><ul><li>蛋白質晶片  – 將探針改為蛋白質以期能做到廣大蛋白質生物學上的研究。 </li></ul><ul><li>生物武器偵測...
生物晶片醫療市場預測
生物晶片商機 <ul><li>晶片表面處理與製造 </li></ul><ul><li>晶片製程研發 </li></ul><ul><li>檢體處理及訊號放大技術及機台的開發 </li></ul><ul><li>生物資訊軟體開發與生物資訊資料庫服務...
References <ul><li>http://www.bio-drchip.com.tw/ ( 晶宇生物科技 ) </li></ul><ul><li>http://www.phalanx.com.tw/ ( 華聯生物科技 ) </li><...
<ul><li>Thanks!! </li></ul>
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2009 CSBB LAB 新生訓練

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Microarray 介紹。歐宗維主講

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  • http://www.ascc.net/nl/92/1920/02.txt
  • http://forums.chinatimes.com.tw/special/genome/img/genome_project.jpg
  • http://pck.bio.ncue.edu.tw/pckweb/database/data2/ck/ch08/supply/8-1-4.htm
  • http://pck.bio.ncue.edu.tw/pckweb/database/data2/ck/ch08/supply/chromosome.htm
  • http://protein.ncu.edu.tw/p2.htm
  • http://news.bbc.co.uk/chinese/simp/hi/newsid_1420000/newsid_1427700/1427749.stm 有疑義
  • http://protein.ncu.edu.tw/p2.htm
  • http://protein.ncu.edu.tw/p2.htm
  • http://protein.ncu.edu.tw/p2.htm
  • http://protein.ncu.edu.tw/p2.htm
  • http://protein.ncu.edu.tw/p3.htm
  • http://protein.ncu.edu.tw/p7.htm#e
  • http://juang.bst.ntu.edu.tw/Protein/Analysis/A3.htm
  • http://protein.ncu.edu.tw/p2.htm
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  • http://bioteach.ttu.edu.tw/bioterm/blotting.htm
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  • http://www.biochip.org.tw/chiptype.asp http://www.getgoal.com.tw/epaper/index-11.htm
  • http://www.getgoal.com.tw/epaper/index-11.htm
  • http://home.pchome.com.tw/discover/biochipmaster/BiochipChinese.pdf
  • http://home.pchome.com.tw/discover/biochipmaster/BiochipChinese.pdf
  • http://home.pchome.com.tw/discover/biochipmaster/BiochipChinese.pdf
  • http://home.pchome.com.tw/discover/biochipmaster/BiochipChinese.pdf
  • http://www.maths.tcd.ie/~ecoli/JSPDFS/harrington.pdf
  • http://www.maths.tcd.ie/~ecoli/JSPDFS/harrington.pdf
  • http://www.maths.tcd.ie/~ecoli/JSPDFS/harrington.pdf
  • Reference: Microarray pdf file by Yuki Juan in NTUST, May 26, 2003
  • http://bioinformatics.picr.man.ac.uk/mbcf/overview_ma.jsp
  • http://bioinformatics.picr.man.ac.uk/mbcf/overview_ma.jsp
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  • http://protein.ncu.edu.tw/p2.htm
  • http://www.rdmag.com/features/0204micro23.asp http://www.agilent.com/about/newsroom/features/2004feb03_humangenome.html
  • http://www.nature.com/ng/journal/v27/n3/pdf/ng0301_232.pdf
  • Reference: Microarray pdf file by Yuki Juan in NTUST, May 26, 2003
  • Reference: Microarray pdf file by Yuki Juan in NTUST, May 26, 2003
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  • Reference: Microarray pdf file by Yuki Juan in NTUST, May 26, 2003
  • http://home.pchome.com.tw/discover/biochipmaster/BiochipChinese.pdf
  • http://www.ncku.edu.tw/~cbst/biochip.htm
  • http://www.ncku.edu.tw/~cbst/biochip.htm
  • http://www.getgoal.com.tw/epaper/index-11.htm
  • 2009 CSBB LAB 新生訓練

    1. 1. Introduction Microarray Chip Speaker : Jong-Waye Ou 2009/7/20
    2. 2. Outline <ul><li>Introduction </li></ul><ul><li>Background </li></ul><ul><ul><li>Gene History </li></ul></ul><ul><ul><li>Human Genome Project </li></ul></ul><ul><ul><li>Introduction to Molecular Biology </li></ul></ul><ul><li>Biochip Design and Technology </li></ul><ul><li>Biochip Image and Data Analysis </li></ul><ul><li>References </li></ul>
    3. 3. Introduction <ul><li>What is BioChip ? 生物晶片是泛指採用半導體策略於生物性分析所產生的微小化裝置,也就是將傳統大型的分析、檢驗等器具,予以微小化、積體化以及平行多工化。生物晶片通常以矽晶片、玻璃或高分子為基質,以微小化技術整合生物有機分子 ( 如核酸或蛋白質 ) 為生化探針,用來檢測或分析生物性分子。生物晶片的體積小、反應快速並且能夠平行分析大量生物資訊,因此適用於生化處理、分析、檢驗、新藥開發及環境監測等用途上。 </li></ul>
    4. 4. <ul><li>依製程的不同可分為微陣列晶片( microarray )及實驗室晶 </li></ul><ul><li>片( lab-on-a-chip ,又稱微處理晶片),微陣列晶片依載 </li></ul><ul><li>片上的探針材質又可分為基因晶片及蛋白質晶片。 </li></ul>生物晶片 (BioChip) 微陣列晶片 (Microarray) 微流體晶片 (Lab-on-Chip) 基因晶片 (Gene-Chip) 蛋白質晶片 (Protein-Chip)
    5. 5. Background <ul><li>生物晶片有著許多不同的名稱。其中最常聽到的有 Microarray 、 Biochip 、 Gene chip 、 cDNA microarray 、 Protein chip 、 Tissue chip 、 Lab-on-a-chip 等名稱。 </li></ul><ul><li>生物晶片 (Biochip) 概念起源於二十世紀 80 年代末期,是結合微電子、微機械、生命科學和生物資訊等領域技術的綜合產品。而此技術可將成千上萬各基因探針同時放置在玻璃玻片、尼龍薄膜材質或高分子材料上。經自動化程序及統計方法相關基因組就可偵測出來,對基因功能研究有快速且深遠的影響,最近高密度 cDNA 微陣列技術 (complementary DNA Microarray Technology) 之發展也漸漸成熟。 </li></ul>
    6. 6. Background <ul><li>在 1995 年史丹佛大學 (Stanford University) Schena 等人在 Science 雜誌上發表第一篇生物基因微陣列後,用於偵測基因表現的研究 (Gene expression profile) [Schena et al ., 1995] 。 </li></ul><ul><li>Stanford Microarray Database (SMD ; http://genome-www5.stanford.edu/) 成立在 1999 年 [Demeter et al ., 2007] 。自成立以來它的規模與範圍已經成為科學界常用的研究工具,並不限於史丹佛大學的研究人員與相關研究人員。 </li></ul>
    7. 7. 基因簡史 (1) <ul><li>1865 孟德爾 (Mendel): 遺傳的基本單位是「 遺傳因子 」。 </li></ul><ul><ul><li>直至 1900 年,孟德爾的研究始終不受注意 </li></ul></ul><ul><li>1909 約翰遜 (Johannsen ): 將孟德爾遺傳因子的概念正式定名「 基因 」 (gene) 。 </li></ul><ul><li>1944 發現基因是由 去氧核醣核酸 (DNA - D eoxyribo n ucleic A cid) 組成。 </li></ul><ul><li>1953 James Watson and Francis Crick : 提出基因結構為 雙股螺旋 (Double Helix) ( 後來得到諾貝爾獎 ) 。 </li></ul>
    8. 8. 基因簡史 (2) <ul><li>科學史上最孤獨的天才 - 孟德爾 </li></ul><ul><ul><li>孟德爾發表論文 ( 遺傳法則 )後,曾印製 40 份單行本分送世界各國權威,其中包括 達爾文 。然人們在達爾文藏書中找到孟德爾論文時,連頁並沒割開,因此 達爾文可能連看都沒看過 。 </li></ul></ul><ul><ul><li>孟德爾 的不幸乃是因其處於巨人 達爾文 的陰影之下。加上當時生物界認為對 進化論 ( 適者生存、自然淘汰) 而言,物種間的雜交比物種內的雜交來得重要多了。 </li></ul></ul><ul><ul><li>1900 年三位科學家同時獨立地重新發現“ 孟德爾定律 ” ( 遺傳法則 ) ,孟德爾超前 35 年的科學才重新被研究。但這卻也悲哀地証明,孟德爾論文的出現與否,對生物學的研究沒有影響。 </li></ul></ul>
    9. 9. 基因簡史 (3) <ul><li>科學史上最孤獨的天才 孟德爾 失敗原因 </li></ul><ul><ul><li>生不逢時,處於巨人 達爾文進化論 的陰影之下。 </li></ul></ul><ul><ul><li>馬太效應 ,達爾文進化論太過成功使人們認為其遺傳理論泛生學說應不遑多讓,而孟德爾理論與之相悖,故不受重視。 ( 馬太效應,意即錦上添花 ) 。 </li></ul></ul><ul><ul><li>不擅推銷,發表不受重視後,紫羅蘭、玉米、紫茉莉的實驗雖亦驗証其理論,但終生未再發表。 </li></ul></ul><ul><ul><li>使用統計,當時生物界不認為生物會與數學相關,也懶得去了解數字間的關係, 孟德爾卻是首位使用統計數學的生物學家 ,一般生物學家難以理解。 </li></ul></ul><ul><ul><li>孟德爾臨死前數月曾說過:「我深信世界承認這工作成果已為期不遠了,雖說不遠、其實也不近…」。他逝世後又過了 16 年到 1900 年,其成就才被世人所接受。 </li></ul></ul>
    10. 10. DNA Double Helix ( 雙股螺旋) (1)
    11. 11. DNA Double Helix ( 雙股螺旋) (2)
    12. 12. 人類基因體計畫 (1) <ul><li>1990 啟動 人類基因體計畫 (Human Genome Project) </li></ul><ul><ul><li>以美、英、德、法、日、中國為首,共十八個國家參與序列解讀工作。 </li></ul></ul><ul><li>1995 流行性感冒嗜血桿菌 (haemophilus influenzae) 成為史上第一個被定序的有機生命體。 ( 見下頁圖) </li></ul>
    13. 13. 人類基因體計畫 (2) <ul><li>1998 賽雷拉 (CELERA) 公司加入基因研究計畫 </li></ul><ul><ul><li>賽雷拉公司加入後,利用快速 DNA 自動定序儀 、使用電腦來辨識基因所在。定序期間電腦不斷利用既有法則做修正改進工作。 </li></ul></ul><ul><li>2000 人類 DNA 序列草圖 完成 </li></ul><ul><ul><li>因賽雷拉公司之加入、使得人類基因體草圖解序提早三年 ( 原訂 2003 年完成 ) 。 </li></ul></ul>
    14. 14. 基因小常識 <ul><li>生物體內有多少個基因? </li></ul><ul><ul><li>人類約三萬至四萬個 </li></ul></ul><ul><ul><li>蛔蟲約一萬九千個 </li></ul></ul><ul><ul><li>酵母菌約六千個 </li></ul></ul><ul><ul><li>結核病菌約四千個 </li></ul></ul><ul><li>不同個體間的 DNA 差異有多大? </li></ul><ul><ul><li>人與人之間,差異約 0.2% </li></ul></ul><ul><ul><li>人與黑猩猩之間,差異約 2% </li></ul></ul><ul><li>我們尚不了解其作用的 DNA ,約佔 97% </li></ul>
    15. 15. 分子生物簡介 <ul><li>DNA </li></ul><ul><li>RNA </li></ul><ul><li>複製 (Replication) 、轉錄 (Transcription) 、轉譯 (Translation) </li></ul><ul><li>蛋白質 (Protein) 、胺基酸 </li></ul><ul><li>基因密碼 </li></ul>
    16. 16. 核酸的發現 <ul><li>核酸的發現是從傷口的膿汁而來的 </li></ul><ul><ul><li>核酸物質在 1869 年,被 米謝 (Miescher) 所發現。他從醫院患者繃帶收集 膿汁 並作研究。選擇膿汁的理由是因為膿汁裡包含大量與細菌作戰而死的白血球。其體積遠比一般細胞大,易於觀察研究。經其萃取白血球細胞核內物質後得到 含磷酸 且易染於鹼性色素之物質。因為來自 細胞核 ,故命名 核酸 。 </li></ul></ul><ul><ul><li>同時期 孟德爾 亦發現 遺傳法則 並預知遺傳物質的存在。可惜在孟德爾的 遺傳因子 ( 基因 ) 被証明為核酸之時,時光已經又過了 80 年。 </li></ul></ul>
    17. 17. DNA 位置 <ul><li>DNA 位於細胞核內之「 核仁 」 </li></ul>
    18. 18. ↑ 染色體層次圖 ( 由左至右 ) ← 染色體結構圖 ( 由上至下 ) 染色體的股線緊密折疊,一般認為染色體是由很長的 DNA 雙螺旋鏈 盤捲在組織蛋白質 (histone) 分子上,像珠子串在一條線上的形式形成 染色質 (chromatin) 。例如,一條人類染色體之 DNA 平均長度為 5Omm 。 DNA 分子繞組織蛋白質分子結合成為 核體 (nucleosome) 單位 ,核體單位折疊緊縮形成 染色質纖維 (chromatin fiber) ,染色質纖維高度折疊形成 染色體的延伸部份 ,而纏繞又折疊形成 染色體的緊縮部份 。
    19. 19. DNA 雙股螺旋
    20. 20. DNA 中核甘酸間之鍵結
    21. 21. 核甘酸 <ul><li>核甘酸 (Nucleotide) 為核酸分子構成單元 </li></ul><ul><li>核甘酸包含: </li></ul><ul><ul><li>五碳糖 ( 去氧核糖 , deoxyribose) </li></ul></ul><ul><ul><li>磷酸基 (phosphate group) </li></ul></ul><ul><ul><li>含氮鹼基之一 (A 、 G 、 C 、 T 、 U) </li></ul></ul>胞嘧啶 (C)
    22. 22. DNA 四種含氮鹼基
    23. 23. DNA 序列形狀
    24. 24. DNA 序列
    25. 25. DNA 與 RNA <ul><li>核甘酸 (Nucleotide) : </li></ul><ul><ul><li>腺嘌呤 (adenine, A) </li></ul></ul><ul><ul><li>鳥 糞 嘌呤 (guanine, G) </li></ul></ul><ul><ul><li>胞嘧啶 (cytosine, C) </li></ul></ul><ul><ul><li>胸腺嘧啶 (thymine, T) </li></ul></ul><ul><ul><li>尿嘧啶 (uracil, U) </li></ul></ul><ul><li>去氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid , DNA) </li></ul><ul><ul><li>{A, G, C, T} ( 鹼基配對 : G  C, A=T ) </li></ul></ul><ul><li>核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA) </li></ul><ul><ul><li>{A, G, C, U} ( 鹼基配對 : G  C, A=U, G  U ) </li></ul></ul>
    26. 26. DNA 的長度 <ul><li>人類 DNA 總長度大約是 3  10 9 (30 億 ) 鹼基對 (base pairs) </li></ul><ul><li>其中只有約 1%~1.5% 鹼基對有發揮作用 </li></ul><ul><li>人類基因個數 : 三萬到四萬之間 </li></ul><ul><ul><li>此結果乃是來自人類基因體計畫 </li></ul></ul><ul><ul><li>原先預期約十萬個 </li></ul></ul>
    27. 27. 轉錄與轉譯作用
    28. 28. DNA 、基因 (Gene) 、蛋白質 (Protein) <ul><li>DNA: 為細胞工作之程式 </li></ul><ul><li>蛋白質 : 執行細胞賦予之工作 ( 程式 ) </li></ul>T C C AA C GG T G C T G A G G T G C AC Gene Protein DNA
    29. 29. DNA 的複製 (Replication)-- 動畫
    30. 30. DNA  RNA 轉錄 (Transcription) – 動畫
    31. 31. RNA  蛋白質 轉譯 (Translation) – 動畫
    32. 32. 蛋白質 (Protein) 的組成 胺基酸 (Amino Acid) 為蛋白質的基本單位, 共 20 種
    33. 33. 蛋白質分子形狀
    34. 34. 胺基酸分子形狀
    35. 35. 胺基酸的組成–基因密碼 <ul><li>每 三個核甘酸 (codon ,基因密碼 ) 對應至 一種胺基酸 。 </li></ul>AUG is also the “start” codon. U C A G GGU Gly [G] GGC Gly [G] GGA Gly [G] GGG Gly [G] GAU Asp [D] GAC Asp [D] GAA Glu [E] GAG Glu [E] GCU Ala [A] GCC Ala [A] GCA Ala [A] GCG Ala [A] GUU Val [V] GUC Val [V] GUA Val [V] GUG Val [V] G U C A G AGU Ser [S] AGC Ser [S] AGA Arg [R] AGG Arg [R] AAU Asn [N] AAC Asn [N] AAA Lys [K] AAG Lys [K] ACU Thr [T] ACC Thr [T] ACA Thr [T] ACG Thr [T] AUU Ile [I] AUC Ile [I] AUA Ile [I] AUG Met [M] A U C A G CGU Arg [R] CGC Arg [R] CGA Arg [R] CGG Arg [R] CAU His [H] CAC His [H] CAA Gln [Q] CAG Gln [Q] CCU Pro [P] CCC Pro [P] CCA Pro [P] CCG Pro [P] CUU Leu [L] CUC Leu [L] CUA Leu [L] CUG Leu [L] C T h i r d P o s i t i o n U C A G UGU Cys [C] UGC Cys [C] UGA Ter [end] UGG Trp [W] UAU Tyr [Y] UAC Tyr [Y] UAA Ter [end] UAG Ter [end] UCU Ser [S] UCC Ser [S] UCA Ser [S] UCG Ser [S] UUU Phe [F] UUC Phe [F] UUA Leu [L] UUG Leu [L] U F i r s t P o s i t i o n G A C U Second Position of Codon
    36. 36. 胺基酸小常識 <ul><li>必需胺基酸:人體無法合成,必須靠食物來攝取的胺基酸。 </li></ul><ul><li>非必需胺基酸:人體可以利用其它的物質來合成的胺基酸。 </li></ul>Asparagine Arginine Asparagine Lysine Glutamic acid Histidine Aspartic acid Tryptophan Tyrosine Phenylalanine Proline Methionine Cysteine Threonine Alanine Isoleucine Alanine Leucine Glycine Valine 非必需胺基酸 必需胺基酸
    37. 37. 分子生物技術綱要 <ul><li>電泳法 (electrophoresis, EP) </li></ul><ul><li>PCR (Polymerase Chain Reaction, 聚合脢鏈鎖反應 ) 放大技術 </li></ul><ul><li>墨點技術 </li></ul><ul><ul><li>南方墨點 (Southern blotting) </li></ul></ul><ul><ul><li>北方墨點 (Northern blotting) </li></ul></ul><ul><ul><li>西方墨點 (Western blotting) </li></ul></ul>
    38. 38. 電泳法 <ul><li>電泳法 (electrophoresis, EP) – 分子量測定技術 </li></ul><ul><ul><li>分子愈大、泳動愈慢 ;帶電愈大、泳動愈快 </li></ul></ul><ul><ul><li>利用 SDS 陰離子介面活性劑 中和其電量,使其泳動速度單純由分子大小決定 </li></ul></ul><ul><ul><li>將之與蛋白質標準溶液 (protein marker) 同跑電泳、比較其相對位置即可測知分子量大小 </li></ul></ul>
    39. 40. SDS 有一個極性頭部 ( sodium dodecyl sulfate, 硫酸十二酯鈉 ) 與一條非極性尾巴。 因此 SDS 可以介入極性與非極性基團之間,是一種 界面活性劑 ,就是俗稱的 清潔劑 。 SDS 可以把非極性尾巴鑲入蛋白質三級構造的內部,而以其極性頭部與外界的水分子結合,因而使得蛋白質變性。
    40. 41. 理論上 SDS 是很均勻的吸附到蛋白質上,因此不管原來蛋白質分子的大小,每種蛋白質分子上 所吸附的負電荷密度是相同的 。
    41. 42. 蛋白質 Z 在左邊的 native-PAGE 中無法向下泳動,但在右邊的 SDS-PAGE 則可以依其分子量正確泳動;因此一般使用上, SDS-PAGE 的應用較廣泛。 在 SDS-PAGE 下,雖然 X 分子被解構成單元體,因此分子量由 160 kD 變成 40 kD ;但若在較為溫和的樣本處理條件下,有可能看到未完全解構的 160 kD 蛋白質色帶。
    42. 43. 分子生物技術– PCR <ul><li>PCR(Polymerase Chain Reaction) 放大技術 – DNA 複製技術 </li></ul><ul><ul><li>DNA 雙股螺旋達一定熱度以上時即會分開成為單鏈 </li></ul></ul><ul><ul><li>此時加入 引子 (primer) ,其自動與分開之單鏈結合並以其為模版進行複製 </li></ul></ul><ul><ul><li>降低溫度使其恢復為原先之雙股螺旋結構 </li></ul></ul><ul><ul><li>重覆上述三個步驟,就可依指數成長速度大量複製 DNA </li></ul></ul><ul><li>我們以 Flash 動畫說明其進行步驟,如下: </li></ul>
    43. 44. PCR 放大過程–動畫
    44. 45.  PCR 流程簡圖 PCR 機器 
    45. 46. 分子生物技術 – 墨點技術 <ul><li>南方墨點 (Southern Blot) 、 北方墨點 (Northern Blot) 、 西方墨點 (Western Blot) – 基因變異檢測技術 </li></ul><ul><ul><li>先使用電泳法將大分子切開成小分子並予以分離。 </li></ul></ul><ul><ul><li>將小分子轉印 (blotting) 至濾膜上。 </li></ul></ul><ul><ul><li>用標記之探針 (probes) 與之進行雜交 (hybridization) 。 </li></ul></ul><ul><ul><li>辨識雜交後之資訊,即可對有興趣的序列進行鑑定或分離。 </li></ul></ul>
    46. 47. <ul><li>電泳法後,將結果轉錄至濾膜上 </li></ul><ul><li>使用探針在膜上進行雜交 </li></ul><ul><li>辨識雜交結果,並對有興趣部份進行鑑定或分離 </li></ul>
    47. 48. 分子生物技術 – 墨點技術之異同 <ul><li>南方墨點法 (Southern blotting) </li></ul><ul><ul><li>使用於 DNA 方面 </li></ul></ul><ul><li>北方墨點法 (Northern blotting) </li></ul><ul><ul><li>使用於 RNA 方面 </li></ul></ul><ul><li>西方墨點法 ( 免疫墨點法, Western blotting) </li></ul><ul><ul><li>使用於蛋白質方面 </li></ul></ul><ul><li>三者的使用 流程及概念大致皆相同 ,不同的是實驗材料有異。 </li></ul>
    48. 49. 南方墨點法 ( 使用於 DNA) <ul><li>Step 1: 將 DNA 片段先藉瓊脂凝膠電泳分開。 </li></ul><ul><li>Step 2: 藉“轉印( blotting )”法將之轉移到一個硝酸纖維素濾膜上。 </li></ul><ul><li>Step 3: 採用放射性標記核酸探針( radioactively labeled nucleic acid probes )與之進行雜交( hybridization )。 </li></ul><ul><li>Step 4: 對感興趣的核酸序列進行鑑定或分離。 </li></ul>
    49. 50. 北方墨點法 ( 使用於 RNA) <ul><li>進行步驟: </li></ul><ul><ul><li>Step 1: 使用凝膠電泳分離出 RNA 。 </li></ul></ul><ul><ul><li>Step 2: 轉移到其他的高分子擔體上固定。 </li></ul></ul><ul><ul><li>Step 3: 用標記之 DNA 探針雜交。 </li></ul></ul><ul><ul><li>Step 4: 對所要研究的 RNA 進行鑑定。 </li></ul></ul><ul><li>此方式的困難點在於 RNA 的處理較為費事。但藉由此方法,我們可以得到基因轉錄表現的第一手資訊。 </li></ul>
    50. 51. 西方墨點法 ( 使用於蛋白質 ) <ul><li>別名 免疫墨點法 ,主要用於偵測抗原及研究抗體、抗原間的特異性。 </li></ul><ul><li>進行步驟: </li></ul><ul><ul><li>Step 1: 抗原蛋白質膠體電泳分析。 </li></ul></ul><ul><ul><li>Step 2: 將分離的 polypeptides 轉移至轉移膜 (membrane) 上。 </li></ul></ul><ul><ul><li>Step 3: 將膜上非特異性的結合位置覆蓋住。 </li></ul></ul><ul><ul><li>Step 4: 加入抗體反應。 </li></ul></ul><ul><ul><li>Step 5: 偵測 </li></ul></ul>
    51. 52. 西方墨點的應用–檢測玉米是否基因改造–動畫
    52. 53. Biochips Design and Technology <ul><li>生物晶片原理 </li></ul><ul><li>生物晶片設備 </li></ul><ul><li>生物晶片種類 </li></ul><ul><ul><li>基因晶片 (Gene chip, DNA microarray) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>寡核酸陣列 (Oligonucleotide microarray) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>互補核酸陣列 (cDNA microarray) </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>晶片實驗室 (Lab-on-a-chip) </li></ul></ul><ul><ul><li>蛋白質晶片 (Protein chip) </li></ul></ul><ul><li>生物晶片載片與材質 </li></ul>
    53. 54. 生物晶片原理 (1) <ul><li>將數千甚至數萬個點 (spot)- 單股 DNA ,別名 探針 (probe) ,以高密度方式植在約拇指大小之晶片,利用生物結合特性做到同時大量偵測反應效果。 </li></ul><ul><ul><li>探針來源:寡核甘酸 (oligonucleotide) 或已經存在於基因庫中的互補核甘酸 cDNA </li></ul></ul><ul><ul><li>晶片材質:玻璃片、尼龍薄膜 </li></ul></ul><ul><ul><li>除 DNA 外,亦可將蛋白質 (proteins) 、抗原 (antigen) 、抗體 (antibody) 放在晶片上做不同之偵測及應用 </li></ul></ul>
    54. 55. 生物晶片原理 (2) <ul><li>一個正常細胞的 mRNA ,另一個是有經處理的 mRNA ,經反轉錄成 cDNA ,在反轉錄期間分別在 cDNA 尾端( UTP )或頭端( GTP )加入一種螢光標識,染有螢光黃( Cy3 )的及染有玫瑰紅螢光染劑( Cy5 )。而加上螢光染劑原理是將原本鍵結 T 或 G 的打掉,換潻加含有螢光染劑 U 或 G 上去。兩種樣本相混合, 帶有螢光的探針與晶片上的標的基因做雜合反應 ,之後再將沒有雜合的探針給篩洗悼,減少雜訊。最後,經由 電腦程式分析其呈色結果 </li></ul>藉由 DNA 生物晶片 分析基因表現之原理 :
    55. 56. ← Ezspot Arrayer 左圖為生物晶片打點機,下方為其玻璃載片或薄膜載片。此機種為 DNA 及蛋白質皆適用多功能機型。
    56. 57. 生物晶片設備 (1) <ul><li>圖一:生物晶片,一台調控電腦、氣體操作成分、及一個小室。 </li></ul><ul><li>生物晶片 是一種微型裝置,利用微電子技術將大型的儀器微小化。在微小化後的裝置上放置多種特定的生物材料,此些生物材料可以與其他物質發生特異性的生化反應。反應後的訊號可被定量,此種結合 微電子、微流體與生物 技術的微型裝置稱之 </li></ul>
    57. 58. 生物晶片設備 (2) <ul><li>圖二:一個模板上含有標準 48 個顯微鏡的玻片、 microtiter 放置在一個可裝載及卸下的模板上、沖洗及乾燥站。 </li></ul><ul><li>一般商業用的晶片機械裝備包含一個懸臂式 XYZ 手臂,在手臂上裝載著 十六個針筆 、 48 個固定的顯微鏡玻片 、 20 個 microtiter 可裝載和卸下、 篩洗和乾旱站 及一台調控氣體管理成分,皆放在一個小房內。 </li></ul>
    58. 59. 生物晶片設備 (3) <ul><li>圖三:含有 16 針筆的 xyz 的機械手臂 。 </li></ul><ul><li>探針的裝填是相當有彈性的,可依盤數、坡片的大小及材質而點制適當的位置,而電腦控制其他成分和允許操作者輸入各種變數,如探針數、盤數、玻片數及間隔、玻片樣式。 </li></ul>
    59. 60. Gene chip and DNA Microarray <ul><li>( 一 ) 基因晶片 (Gene chip, DNA micro-array ) :利用共軛互補的核酸為探針,整齊排列晶片之上。使用其互補序列之核酸雜交結合,藉此進行樣品檢驗或環境檢測。另外依晶片上之 探針 種類不同,基因晶片尚可細分為下列兩種: </li></ul><ul><ul><li>寡核酸陣列 (oligonucleotides microarray) </li></ul></ul><ul><ul><li>互補核酸陣列 (cDNA microarray) </li></ul></ul>
    60. 61. Lab-on-a-chip <ul><li>晶片實驗室 (Lab-on-a-chip ) :整合若干微管道及微反應於一塊晶片上以完成各種樣品處理、反應或分析檢測,功能類似一個小型實驗室之縮影。依功能尚可細分成下列兩種: </li></ul><ul><ul><li>PCR 晶片 (PCR chip) </li></ul></ul><ul><ul><li>毛細管電泳晶片 (capillarylectrophoresis chip) </li></ul></ul><ul><li>將實驗室微小化在晶片上的結果,醫生可能在辦公室內用手掌般大小的實驗室晶片,數分鐘內立即快速且診斷出病人的疾病,對症下藥。平行化大量分析的實驗室晶片,可以快速且大量合成及篩選新藥,加速新藥的開發。 </li></ul>
    61. 62. Protein Chip <ul><li>( 三 ) 蛋白質晶片 :以蛋白質為生物探針,整齊的排列在晶片上,進行抗原 - 抗體免疫反應,用以檢測蛋白質。其尚待克服之技術瓶頸如下: </li></ul><ul><ul><li>有效提升結合於晶片上之抗體或結合物之穩定性 </li></ul></ul><ul><ul><li>有效鍵結具正確方向及足夠數量之抗體或結合物於晶片上 </li></ul></ul><ul><ul><li>研發足夠數量可資辨識不同生命物質的擷取抗體或晶片結合物 </li></ul></ul><ul><ul><li>有效提升晶片的偵測靈敏度 </li></ul></ul><ul><ul><li>依不同用途、材質、訊號傳導、生物相容性等等上有諸多問題待解決 </li></ul></ul>
    62. 63. Protein Chip
    63. 64. 生物晶片材質 <ul><li>陶瓷基複合材料(玻璃、二氧化矽) </li></ul><ul><ul><li>成本低、可重製,但破壞性容忍度差 </li></ul></ul><ul><li>熱塑性複合材料(聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯) </li></ul><ul><ul><li>具抗濕性及破壞容忍度高之優點 </li></ul></ul><ul><li>金屬基複合材料(金、二氧化鈦) </li></ul><ul><ul><li>除抗濕性及破壞容忍度高之優點外,尚具有絕佳傳導性之優點 </li></ul></ul><ul><li>現今最常使用於檢測抗原抗體反應的基材主要是 熱塑性複合材料 ;而 金屬基複合材料 則以壓電晶體感測器較為廣泛使用 </li></ul>
    64. 65. 生物晶片載片型式
    65. 66. 玻璃載片型式優劣比較 <ul><li>蛋白質液 易蒸發 </li></ul><ul><li>難適用於各種以水溶液為基礎之反應 </li></ul><ul><li>易交叉污染 </li></ul><ul><li>適用於標準之微陣列打點機與檢測儀器 ( 如掃描機 ) </li></ul><ul><li>成本較低 </li></ul>利用現成 DNA 晶片所使用之微陣列打點機將蛋白質液點在玻璃載板上 平面玻璃載體晶片 缺點 優點 原理 晶片種類
    66. 67. 多孔膠墊載片型式優劣比較 <ul><li>雖可適用於水溶液為基礎之反應,然樣本需 較長之洗滌時間 </li></ul><ul><li>成本較高 </li></ul><ul><li>利用光顯影技術 (photo-lithography) 來製作基質 </li></ul><ul><li>適用於標準之微陣列打點機與檢測儀器 ( 如掃描機 ) </li></ul><ul><li>能固定於晶片上之蛋白質量較多 </li></ul><ul><li>凝膠中之緩衝液可降低蛋白質變性之機率 </li></ul><ul><li>不易產生交叉污染 </li></ul>以聚炳烯醯胺凝膠 (polyacrylamide gel) 點在玻璃板上,蛋白質樣本即固定在其中 立體多孔膠墊晶片 缺點 優點 原理 晶片種類
    67. 68. 微孔晶片載片型式優劣比較 <ul><li>雖可適用於標準之微陣列打點機與檢測儀器,然 機器需重新排列與校正 </li></ul><ul><li>微孔各自獨立,不易產生交叉污染原別適用於蛋白質之生化反應,且反應靈敏度高,方便更換緩衝液 </li></ul><ul><li>蛋白質液 不易蒸乾 </li></ul><ul><li>成本較低 </li></ul><ul><li>適用於自動化之設計 </li></ul>在矽彈性平板 (silicon ela-stomer sheets) 中之微陣列設計微孔洞,先將受質 (capture agents 抓住特定蛋白質之媒介物質 ) 黏附於每個微孔洞底部,再將蛋白質置於微孔洞中反應及分析 微孔晶片 缺點 優點 原理 晶片種類
    68. 69. Biochip Sample <ul><li>Spotted DNA arrays </li></ul><ul><li>Affymetrix gene chips </li></ul><ul><li>Ink-jet microarrays (Agilent) </li></ul>
    69. 70. Spotted DNA arrays ( 設計製造 ) <ul><li>1. 使用 PCR 放大技術複製 DNA </li></ul><ul><li>(PCR amplification) </li></ul><ul><li>2. 使用純化技術保留目標 DNA </li></ul><ul><li>(Purification) </li></ul><ul><li>3. 將目標 DNA 利用精密儀器以高密度方式分段依序載於薄膜上 </li></ul><ul><li>(Robotic printing) </li></ul>
    70. 71. Spotted DNA arrays ( 操作使用 ) <ul><li>4. 將紅色螢光加在 RNA 1 上,並將綠色螢光加在 RNA 2 上 </li></ul><ul><li>5. 將加過不同螢光的兩個 RNA 分別置於薄膜上做雜交結合 </li></ul><ul><li>(Hybridize) </li></ul><ul><li>6. 雜交結合完畢後,清洗薄膜並分別掃描其結果影像 </li></ul><ul><li>(Wash, Scan 1 & Scan 2) </li></ul>
    71. 72. Spotting Robot
    72. 73. Spotted DNA arrays ( 結果判讀 ) <ul><li>7. 將分別掃描之兩者影像,使用軟體結合後,可得出其合併結果如左。 </li></ul><ul><li>紅色者為 RNA 1 表現較強部份 </li></ul><ul><li>綠色者為 RNA 2 表現較強部份 </li></ul><ul><li>黃色者則為兩者表現強弱相似 </li></ul>
    73. 74. Affymetrix gene chips ( 設計製造 ) <ul><li>運用光刻法技術 (Photolithography technology) ,將核甘酸一一建築於晶片之上,最長長度為 25mer 。 </li></ul><ul><li>其探針可彈性任意設計 ( 其它晶片之探針多為實體 DNA 切段而來 ) 。 </li></ul>
    74. 75. Affymetrix gene chips ( 操作使用 ) <ul><li>選用適合之晶片,在其上有大量數目之單股螺旋,長度各為 25 mers 。 </li></ul><ul><li>其中一半為完美配對 (perfectly match -PM) 另外一半為瑕疵配對 (one mismatch –MM) </li></ul><ul><li>基因表現強度判定式子為: PM-MM </li></ul>
    75. 76. Affymetrix gene chips ( 操作使用 ) <ul><li>將紅色螢光標記之目標 RNA 區段與晶片上之 DNA 做雜交結合。 </li></ul>
    76. 77. Affymetrix gene chips ( 結果判讀 ) <ul><li>結果如左圖示。結合程度較高之區域 (cells) 會顯現出較強之紅色螢光。 </li></ul><ul><li>完全不發光者則是沒有結合的區域。 </li></ul><ul><li>依螢光強度可判定基因表現程度。 </li></ul>
    77. 78. 生物晶片設計製造操作–動畫
    78. 79. Ink-jet microarrays( 設計製造 ) <ul><li>使用特殊生物墨水噴射技術,將所需之 DNA 直接“印”在晶片上,長度約為 25~60mers 。 </li></ul><ul><li>優點為設計彈性大、且製造速度快,但缺點是過於昂貴。 </li></ul>
    79. 80. Ink-jet microarrays ( 操作使用與結果判讀 ) <ul><li>Ink-jet microarrays 除設計製造方法較為特殊之外,其它操作使用與結果判讀方式與一般生物晶片並無二致。 </li></ul>
    80. 81. Biochip Image and data analysis <ul><li>影像擷取(尋點) </li></ul><ul><li>數值資料轉換 </li></ul><ul><li>影像正規化 </li></ul><ul><li>資料過濾 </li></ul><ul><li>資料分類與分群    </li></ul>
    81. 82. 影像擷取 ( 尋點 ) <ul><li>尋點 (To find a spot) </li></ul><ul><li>生物晶片上的反應點間之距離相當接近,故辨識不易。除了操作疏失外,也可能有實驗污染干擾。第一步欲正確地抓取晶片上所有的反應點位置,即是一項大工程。 </li></ul>
    82. 83. 影像擷取 ( 尋點 ) <ul><li>影響電腦正確辨識反應點的因素如下: </li></ul><ul><ul><li>反應點大小或形狀不正確 (Irregular size or shape) 。 </li></ul></ul><ul><ul><li>反應點強度太弱反應點間互相渲染干擾 (Spot variance) 。 </li></ul></ul><ul><ul><li>背景污染干擾 (background variance) 。 </li></ul></ul>
    83. 84. 影像擷取 ( 尋點 ) <ul><li>反應點影像 可能錯誤 狀況舉例,由左至右分別為: </li></ul><ul><ul><li>無法辨識 ( 顏色過淺 ) </li></ul></ul><ul><ul><li>顏色過深 </li></ul></ul><ul><ul><li>錯誤反應點 ( 形狀有問題、顏色深淺也不一致 ) </li></ul></ul><ul><ul><li>排列位置不正確 </li></ul></ul><ul><ul><li>人工失誤 ( 自然反應點顏色不可能會深淺差這麼多,中間還被分隔開 ) </li></ul></ul>
    84. 85. 數值資料轉換 <ul><li>數值資料轉換 (Convert feature into numeric data) </li></ul><ul><li>在除去各項干擾、正確判斷出反應點位置之後,接著需將反應點的影像資料轉換成電腦能比較的數值資料。 </li></ul><ul><li>此步驟較為 簡單 、只需將影像之 RGB 值、亮度、對比 等資料循一定公式算出數值即可。 </li></ul>
    85. 86. 資料正規化 <ul><li>資料正規化 (Data normalization) </li></ul><ul><li>由於每次實驗環境均有小差異、且各種掃描器對影像 RGB 值等亦有不同。為免這些變數影響數值資料之正確性,每次實驗均會有實驗組及對照組,以藉此 校正數值資料 。 誤差原因 如下: </li></ul><ul><ul><li>著色誤差 (Dye bias) </li></ul></ul><ul><ul><li>位置誤差 (Location bias) </li></ul></ul><ul><ul><li>強度誤差 (Intensity bias) </li></ul></ul><ul><ul><li>插梢誤插 (Pin bias) </li></ul></ul><ul><ul><li>滑動誤插 (Slide bias) </li></ul></ul>
    86. 87. 資料正規化範例 左圖為未正規化資料,右圖則是已正規化之資料 明顯可看出正規化後的顏色較為鮮明易辨認。
    87. 88. 資料過濾 <ul><li>資料過濾 (Data filtering) </li></ul><ul><li>資料過濾目的在於移除條件不符的基因,以增加處理的速度及正確性。 條件不符 原因可能如下: </li></ul><ul><ul><li>異常點 :顏色過深、背景過強、分佈不均等等 </li></ul></ul><ul><ul><li>過於極端之點 </li></ul></ul><ul><ul><li>統計理由 :例如 p-value<0.01 之點 </li></ul></ul><ul><ul><li>生物理由 而遭過濾 </li></ul></ul><ul><ul><li>程式本身 掌握的點特性而濾除 </li></ul></ul>
    88. 89. 分類與分群 (1) <ul><li>資料分類與分群 </li></ul><ul><li>(Data classification and clustering) </li></ul><ul><li>分類 (Classification) </li></ul><ul><ul><li>監督式學習 (Supervised learning) :資料分群的目的 </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>疾病鑑別 (identify disease) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>結果預測 (predict outcome)/ 最佳處置 (select best treatment) 尋找資料中的自然分類 </li></ul></ul></ul><ul><li>分群 (Clustering) </li></ul><ul><ul><li>非監督式學習 (unsupervised learning) : </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>尋找新的生物上分類 (find new biological classes)/ 改善既有分類 (refine existing ones) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>探索 (exploration) </li></ul></ul></ul>
    89. 90. 分類與分群 (2) <ul><li>一般常見之分類方法 </li></ul><ul><li>決策樹 / 規則 (Decision Trees/Rules) </li></ul><ul><li>類神經網路 (Neural Nets) </li></ul><ul><ul><li>基因數量精簡時,可能有不錯成效 </li></ul></ul><ul><li>支持向量機 (SVM – Support Vector Machine) </li></ul><ul><ul><li>精確度高、具自我選擇性、但不易了解 </li></ul></ul><ul><li>K 芳鄰法 (K nearest neighbor) </li></ul><ul><ul><li>基因數量少時可用,粗糙 </li></ul></ul><ul><li>貝氏網路 (Bayesian nets) </li></ul><ul><ul><li>簡單但粗糙 </li></ul></ul>
    90. 91. 分類與分群 (3) <ul><li>資料分群的目的 </li></ul><ul><ul><li>尋找資料中的自然分類 </li></ul></ul><ul><ul><li>辨認新分類或新的基因相依關係 </li></ul></ul><ul><ul><li>改善既有生物分類 </li></ul></ul><ul><ul><li>支援生物分析或發現 </li></ul></ul><ul><li>分群方法 </li></ul><ul><ul><li>階層式分群法 (Hierarchical clustering) 、自我組織映射圖 (SOM’s, self organizing maps) </li></ul></ul>
    91. 92. 生物晶片現況 <ul><li>自 1998 年 6 月 美國 宣佈正式啟動 生物晶片計劃 後,他國亦紛紛跟進 </li></ul><ul><li>至今保守估計在美國就約有 3000 家的生物晶片公司,實際生產者約 100 家。而目前亦屬測試改良階段、故 實際皆未獲利 。 </li></ul><ul><li>依末端市場不同,生物晶片可區分為「研究用」及「臨床檢驗用」晶片兩種 </li></ul><ul><li>目前由於製作 技術及門檻皆高 ,故實際市場及成長規模相當有限。但 日後潛力無窮 。 </li></ul>
    92. 93. 生物晶片應用 (1) <ul><li>基因表現的藍圖 – 了解疾病與基因間的關係。 </li></ul><ul><li>毒理學上的分析 – 檢測有機毒物對特定基因之表現。 </li></ul><ul><li>基因的定序 – 同時且大量地做基因定序 </li></ul><ul><li>單一核醣核酸多形性的檢定 – 此檢定需做到大量之基因定序方可能完成,故可利用生物晶片。 </li></ul><ul><li>法醫學上的應用 – 檢定快速、準確且易攜帶,可望成為未來法醫現場辦案利器。 </li></ul>
    93. 94. 生物晶片應用 (2) <ul><li>免疫反應分析 – 利用抗原抗體之結合性即可。 </li></ul><ul><li>蛋白質晶片 – 將探針改為蛋白質以期能做到廣大蛋白質生物學上的研究。 </li></ul><ul><li>生物武器偵測 – 在戰場上快速準確檢定有害之生物武器。 </li></ul><ul><li>藥物篩選 – 應用藥品與其接受器 (receptors) 之緊密結合特性於晶片上。 </li></ul><ul><li>DNA 計算處理器 – 利用 DNA 之自我組合特性,類似電腦程式語言。 </li></ul>
    94. 95. 生物晶片醫療市場預測
    95. 96. 生物晶片商機 <ul><li>晶片表面處理與製造 </li></ul><ul><li>晶片製程研發 </li></ul><ul><li>檢體處理及訊號放大技術及機台的開發 </li></ul><ul><li>生物資訊軟體開發與生物資訊資料庫服務 </li></ul><ul><li>半自動化操作訊號讀取機台開發 </li></ul><ul><li>產品效能改進與契約服務 </li></ul><ul><li>工研院的生醫中心 首先以 oligo DNA-chip 為起始點,發展診斷發燒病原菌的晶片,預計將為台灣開創另一波高科技浪潮。 </li></ul>
    96. 97. References <ul><li>http://www.bio-drchip.com.tw/ ( 晶宇生物科技 ) </li></ul><ul><li>http://www.phalanx.com.tw/ ( 華聯生物科技 ) </li></ul><ul><li>http://www.poiic.org/ ( 產業創新能耐平台 ) 。 </li></ul><ul><li>http://www.biochip.org.tw/CHIPPROSPECT.asp ( 台灣生物晶片協會 ) 。 </li></ul><ul><li>http://doit.moea.gov.tw ( 經濟部技術處 ) 。 </li></ul><ul><li>http://biotech.nsc.gov.tw/ ( 行政院國家科學委員會 ) 。 </li></ul><ul><li>http://www.sinphar.com/medical/no30/product_01.html ( 杏輝醫藥集團 ) 。 </li></ul><ul><li>http://www.biochipmaster.com ( 生物晶片產業分析報導 ) 。 </li></ul><ul><li>http://163.21.82.150/MIS/ ( 生物晶片 ) </li></ul><ul><li>陳健尉, 2004 ,生物晶片:技術發展及在生命科學上之應,中興大學 生物醫學 / 分子生物學研究所 助教授 。 </li></ul>
    97. 98. <ul><li>Thanks!! </li></ul>

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