生物芯片技術(shù)概論
    生物芯片技術(shù)通過微加工工藝在厘米見方的芯片上集成有成千上萬個與生命相關(guān)的信息分子，它可以對生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)中的各種生物化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)對基因、配體、抗原等生物活性物質(zhì)進(jìn)行高效快捷的測試和分析。它的出現(xiàn)將給生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、新藥開發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭、司法鑒定、食品與環(huán)境監(jiān)督等眾多領(lǐng)域帶來巨大的革新甚至革命。 
生物芯片技術(shù)研究的背景 
    原定于2005年竣工的人類30億堿基序列的測定工作（Human Genome Project，基因組計劃）由于高效測序儀的引入和商業(yè)機(jī)構(gòu)的介入有望在2000年底提前完成，屆時人類遺傳信息將一覽無遺。怎樣利用該計劃所揭示的大量遺傳信息去探明人類眾多疾病的起因和發(fā)病機(jī)理，并為其診斷、治療及易感性研究提供有力的工具，則是繼人類基因組計劃完成后生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)又一重大課題?，F(xiàn)在，以功能研究為的后基因組計劃已經(jīng)悄然走來，為此，研究人員必需設(shè)計和利用更為高效的硬軟件技術(shù)來對如此龐大的基因組及蛋白質(zhì)組信息進(jìn)行加工和研究。建立新型、高效、快速的檢測和分析技術(shù)就勢在必行了。這些高效的分析與測定技術(shù)已有多種，如DNA質(zhì)譜分析法，熒光單分子分析法，雜交分析等。其中以生物芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的許多新型分析技術(shù)發(fā)展快也發(fā)展?jié)摿?。早?988年，Bains等人就將短的DNA片段固定到支持物上，以反向雜交的方式進(jìn)行序列測定。當(dāng)今，隨著生命科學(xué)與眾多相關(guān)學(xué)科（如計算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、微加工技術(shù)、有機(jī)合成技術(shù)等）的迅猛發(fā)展，為生物芯片的實(shí)現(xiàn)提供了實(shí)踐上的可能性。生物芯片的設(shè)想早起始于80年代中期，90年代美國Affymetrix公司實(shí)現(xiàn)了DNA探針分子的高密度集成，即將特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一塊玻璃、硅等固體片基上，作為核酸信息的載體，通過與樣品的雜交反應(yīng)獲取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了微電子學(xué)的并行處理和高密度集成的概念，因此具有高效、高信息量等突出優(yōu)點(diǎn)。 

光引導(dǎo)原位合成 
    原位合成適于制造寡核苷酸和寡肽微點(diǎn)陣芯片，具有合成速度快、相對成本低、便于規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。照相平板印刷技術(shù)是平板印刷技術(shù)與DNA和多肽固相化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，可以在預(yù)設(shè)位點(diǎn)按照預(yù)定的序列方便快捷地合成大量寡核苷酸或多肽分子。在生物芯片研制方面享有盛譽(yù)的美國Affymetrix公司運(yùn)用該技術(shù)制造大規(guī)模集成的Genechip。原位合成后的寡核苷酸或多肽分子與玻片共價連接。它用預(yù)先制作的蔽光板和經(jīng)過修飾的4種堿基，通過光進(jìn)行活化從而以固相方式合成微點(diǎn)陣。合成前，預(yù)先將玻片氨基化，并用光不穩(wěn)定保護(hù)劑將活化的氨基保護(hù)起來。聚合用單體分子一端活化另一端受光敏保護(hù)劑的保護(hù)。選擇適當(dāng)?shù)膿豕獍迨剐枰酆系牟课煌腹?，不需要發(fā)生聚合的位點(diǎn)蔽光。這樣，光通過擋光板照射到支持物上，受光部分的氨基解保護(hù)，從而與單體分子發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。每次反應(yīng)在成千上萬個位點(diǎn)上添加一個特定的堿基。由于發(fā)生反應(yīng)后的部位依然接受保護(hù)劑的保護(hù)，所以可以通過控制擋光板透光與蔽光圖案以及每次參與反應(yīng)單體分子的種類，就可以實(shí)現(xiàn)在特定位點(diǎn)合成大量預(yù)定序列寡核苷酸或寡肽的目的。由于照相平板印刷技術(shù)每步的合成效率較低（95%），合成30nt的終產(chǎn)率僅為20%，所以該技術(shù)只能合成30nt左右長度的寡核苷酸。在此基礎(chǔ)上，有人將光引導(dǎo)合成技術(shù)與半導(dǎo)體工業(yè)所用的光敏抗蝕技術(shù)相結(jié)合，以酸作為去保護(hù)劑，將每步合成產(chǎn)率提高到99%，但制造工藝復(fù)雜程度增加了許多。所以如何簡便地提高合成產(chǎn)率是光引導(dǎo)原位合成技 術(shù)有待解決的問題。(參見圖1.) 
微點(diǎn)陣芯片的制作方法 
    僅就目前的發(fā)展情況，微點(diǎn)陣芯片主要包括DNA微點(diǎn)陣芯片（又稱基因芯片?或DNA芯片）和蛋白或多肽微點(diǎn)陣芯片兩種。不過相信，基于其它生物大分子特異性相互作用的生物芯片也會相繼問世。所謂DNA微點(diǎn)陣芯片是指同時將大量的探針分子固定到固相支持物上，借助核酸分子雜交配對的特異性對DNA樣品的序列信息進(jìn)行高效率的解讀和分析，以用于基因表達(dá)譜的檢測、突變篩查、DNA多肽性分析、DNA測序和基因組文庫作圖等研究。類似地，多肽或蛋白微點(diǎn)陣芯片則將許多序列不同的多肽或蛋白分子按照預(yù)定的位置固定于芯片片基上，通過蛋白或多肽與其特異結(jié)合分子的相互作用而實(shí)現(xiàn)對樣品蛋白或其它配體作用特異性的研究，包括抗原表位分析、蛋白定量檢查等。 
點(diǎn)樣法 　　
    點(diǎn)樣法在多聚物的設(shè)計方面與原位合成技術(shù)相似。只是合成工作用傳統(tǒng)的DNA、多肽合成儀或PCR擴(kuò)增或體內(nèi)克隆等方法完成。大量制備好的核酸探針、多肽、蛋白等生物大分子再用特殊的自動化微量點(diǎn)樣裝置將其以較高密度互不干擾地印點(diǎn)于經(jīng)過特殊處理的玻片、尼龍膜、硝酸纖維素膜上，并使其與支持物牢固結(jié)合。支持物需預(yù)先經(jīng)過特殊處理，例如多聚賴氨酸或氨基硅烷等。亦可用其它共價結(jié)合的方法將這些生物大分子牢牢地附著于支持物上。

分子印章原位合成 
    分子印章技術(shù)與上述兩種方法在合成原理上相同，區(qū)別僅在于該技術(shù)利用預(yù)先制作的印章將特定的合成試劑以印章印刷的方式分配到支持物的特定區(qū)域。后續(xù)反應(yīng)步驟類似與壓電打印原位合成技術(shù)。分子印章類似于傳統(tǒng)的印章，其表面依照陣列合成的要求制作成凹凸不平的平面，依此將不同的核酸或多肽合成試劑按印到芯片片基特定位點(diǎn)進(jìn)而進(jìn)行合成反應(yīng)。選擇適當(dāng)?shù)暮铣身樞颉⒃O(shè)計凹凸位點(diǎn)不同的印章即可在支持物上原位合成出位置和序列預(yù)定的寡核苷酸或寡肽陣列。從這一點(diǎn)上講，分子印章原位合成技術(shù)與壓電打印原位合成技術(shù)更為相似。分子印章除了可用于原位合成外還可以點(diǎn)樣方式制作微點(diǎn)陣芯片。例如已有人將分子印章技術(shù)用于蛋白微點(diǎn)陣芯片的制作。 以上三種原位合成技術(shù)所依據(jù)的固相合成原理相似，只是在合成前體試劑定位方面采取了不同的解決辦法，并由此導(dǎo)致了許多細(xì)節(jié)上的差異。但，三種方法合成時都必需解決的問題是必需確保不同聚合反應(yīng)之間的定位，這一點(diǎn)對合成高密度寡核苷酸或多肽陣列尤為重要。同時，由于原位合成每步合成產(chǎn)率的局限較長(>50nt)的寡核苷酸或寡肽序列很難用這種方法合成。但是，由于原位合成的短核酸探針陣列具有密度高、雜交速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且雜交效率受錯配堿基的影響很明顯，所以原位合成的DNA微點(diǎn)陣適合于進(jìn)行突變檢測、多態(tài)性分析、表達(dá)譜檢測、雜交測序等需要大量探針和高的雜交嚴(yán)謹(jǐn)性的實(shí)驗(yàn)。 
打印原位合成 
    壓電打印原位合成的方式類似于噴墨打印機(jī)，合成原理與傳統(tǒng)的核酸或寡肽固相合成技術(shù)相同。合成過程為：合成前以與光引導(dǎo)原位合成類似的方式對芯片片基進(jìn)行預(yù)處理，使其帶有反應(yīng)活性基團(tuán)，例如伯氨基。同時，將合成用前體分子（DNA合成堿基、cDNA和其它分子）放入打印墨盒內(nèi)，由電腦依據(jù)預(yù)定的程序在xyz方向自動控制打印噴頭在芯片支持物上移動，并根據(jù)芯片不同位點(diǎn)探針序列需要將特定的堿基合成前體試劑（不足納升）噴印到特定位點(diǎn)。噴印上去的試劑即以固相合成原理與該處支持物發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)。由于脫保護(hù)方式為酸去保護(hù)，所以每步延伸的合成產(chǎn)率可以高達(dá)99%，合成的探針長度可以達(dá)到40~50nt。以后每輪偶聯(lián)反應(yīng)依據(jù)同樣的方式將需要連接的分子噴印到預(yù)定位點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)的偶聯(lián)反應(yīng)。類似地重復(fù)此操作可以在特定位點(diǎn)按照每個位點(diǎn)預(yù)定的序列合成出大量的寡核苷酸探針。
芯片的應(yīng)用
    與PCR技術(shù)一樣，芯片技術(shù)已經(jīng)開展和將要開展的應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣泛。生物芯片的個應(yīng)用領(lǐng)域是檢測基因表達(dá)。但是將生物分子有序地放在芯片上檢測生化標(biāo)本的策略是具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，除了基因表達(dá)分析外，雜交為基礎(chǔ)的分析已用于基因突變的檢測、多態(tài)性分析、基因作圖、進(jìn)化研究和其它方面的應(yīng)用，微陣列分析還可用于檢測蛋白質(zhì)與核酸、小分子物質(zhì)及與其它蛋白質(zhì)的結(jié)合，但這些領(lǐng)域的應(yīng)用仍待發(fā)展。對基因組DNA進(jìn)行雜交分析可以檢測DNA編碼區(qū)和非編碼區(qū)單個堿基改變、確失和插入，DNA雜交分析還可用于對DNA進(jìn)行定量，這對檢測基因拷貝數(shù)和染色體的倍性是很重要的。
    用于DNA分析的樣品可從總基因組DNA或克隆片段中獲得，通過酶的催化摻入帶熒光的核苷酸，也可通過與熒光標(biāo)記的引物配對進(jìn)行PCR擴(kuò)增獲得熒光標(biāo)記DNA樣品，從DNA轉(zhuǎn)錄的RNA可用于檢測克隆的DNA片段，RNA探針常從克隆的DNA中獲得，利用RNA聚合酶摻入帶熒光的核苷酸。
    對RNA進(jìn)行雜交分析可以檢測樣品中的基因是否表達(dá)，表達(dá)水平如何。在基因表達(dá)檢測應(yīng)用中，熒光標(biāo)記的探針常常是通過反轉(zhuǎn)錄酶催化cDNA合成RNA，在這一過程中摻入熒光標(biāo)記的核苷酸。用于檢測基因表達(dá)的RNA探針還可通過RNA聚合酶線性擴(kuò)增克隆的cDNA獲得。在cDNA芯片的雜交實(shí)驗(yàn)中，雜交溫度足以除DNA中的二級結(jié)構(gòu)，完整的單鏈分子（300-3000nt）的混合物可以提供很強(qiáng)的雜交信號。對寡核苷酸芯片，雜交溫度通常較低，強(qiáng)烈的雜交通常需要探針混合物中的分子降為較短的片段（50-100nt），用化學(xué)和酶學(xué)的方法可以改變核苷酸的大小。
    不同于DNA和RNA分析，利用生物芯片進(jìn)行蛋白質(zhì)功能的研究仍有許多困難需要克服，其中一個難點(diǎn)就是由于許多蛋白質(zhì)間的相互作用是發(fā)生在折疊的具有三維結(jié)構(gòu)的多肽表面，不像核酸雜交反應(yīng)只發(fā)生在線性序列間。芯片分析中對折疊蛋白質(zhì)的需要仍難達(dá)到，有以下幾個原因：，芯片制備中所用的方法必需仍能保持蛋白質(zhì)靈敏的折疊性質(zhì)，而芯片制備中所有的化學(xué)試劑、熱處理、干燥等均將影響到芯片上蛋白質(zhì)的性質(zhì)；第二，折疊蛋白質(zhì)間的相互作用對序列的依賴性更理強(qiáng)，序列依賴性使得反應(yīng)動力學(xué)和分析定量復(fù)雜化；第三，高質(zhì)量的熒光標(biāo)記蛋白質(zhì)探針的制備仍待進(jìn)一步研究。這些原因加上其它的問題減慢了蛋白質(zhì)芯片檢測技術(shù)的研究。
基因芯片應(yīng)用
尋找新基因
DNA測序
疾病診斷
藥物篩選
毒理基因組學(xué)
農(nóng)作物優(yōu)育和優(yōu)選
環(huán)境檢測和防治
食品衛(wèi)生監(jiān)督
司法鑒定


二、應(yīng)用領(lǐng)域
    1 基因表達(dá)水平的檢測
    用基因芯片進(jìn)行的表達(dá)水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達(dá)情況。Schena等采用擬南芥基因組內(nèi)共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為完全序列，31個為EST），檢測該植物的根、葉組織內(nèi)這些基因的表達(dá)水平，用不同顏色的熒光素標(biāo)記逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物后分別與該微陣列雜交，經(jīng)激光共聚焦顯微掃描，發(fā)現(xiàn)該植物根和葉組織中存在26個基因的表達(dá)差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達(dá)高500倍。Schena等用人外周血淋巴細(xì)胞的cDNA文庫構(gòu)建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養(yǎng)的T細(xì)胞對熱休克反應(yīng)后不同基因表達(dá)的差異，發(fā)現(xiàn)有5個基因在處理后存在非常明顯的高表達(dá)，11個基因中度表達(dá)增加和6個基因表達(dá)明顯抑制。該結(jié)果還用熒光素交換標(biāo)記對照和處理組及RNA印跡方法證實(shí)。在HGP完成之后，用于檢測在不同生理、病理?xiàng)l件下的人類所有基因表達(dá)變化的基因組芯片為期不遠(yuǎn)了。
    2 基因診斷
    從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術(shù)以其快速、高效、敏感、經(jīng)濟(jì)、平行化、自動化等特點(diǎn)，將成為一項(xiàng)現(xiàn)代化診斷新技術(shù)。例如Affymetrix公司，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成P53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用。又如，Heller等構(gòu)建了96個基因的cDNA微陣，用于檢測分析風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）相關(guān)的基因，以探討DNA芯片在感染性疾病診斷方面的應(yīng)用?，F(xiàn)在，肝炎病毒檢測診斷芯片、結(jié)核桿菌耐藥性檢測芯片、多種惡性腫瘤相關(guān)病毒基因芯片等一系列診斷芯片逐步開始進(jìn)入市場?；蛟\斷是基因芯片中有商業(yè)化價值的應(yīng)用。
    3 藥物篩選
    如何分離和鑒定藥的有效成份是目前中藥產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)的西藥開發(fā)遇到的重大障礙，基因芯片技術(shù)是解決這一障礙的有效手段，它能夠大規(guī)模地篩選、通用性強(qiáng)，能夠從基因水平解釋藥物的作用機(jī)理，即可以利用基因芯片分析用藥前后機(jī)體的不同組織、器官基因表達(dá)的差異。如果再c DNA表達(dá)文庫得到的肽庫制作肽芯片，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質(zhì)。還有，利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，更有利與靶分子相結(jié)合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與靶蛋白孵育，形成蛋白質(zhì)-RNA或蛋白質(zhì)-DNA復(fù)合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此芯片技術(shù)和RNA庫的結(jié)合在藥物篩選中將得到廣泛應(yīng)用。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學(xué)合成及DNA芯片技術(shù)篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結(jié)構(gòu)的抑制物，實(shí)驗(yàn)表明，這種篩選物對HIV感染細(xì)胞有明顯阻斷作用。生物芯片技術(shù)使得藥物篩選，靶基因鑒別和新藥測試的速度大大提高，成本大大降低?；蛐酒幬锖Y選技術(shù)工作目前剛剛起步，美國很多制藥公司已開始前期工作，即正在建立表達(dá)譜數(shù)據(jù)庫，從而為藥物篩選提供各種靶基因及分析手段。這一技術(shù)具有很大的潛在應(yīng)用價值。
    4 個體化醫(yī)療
    臨床上，同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對病人丙則可能有副作用。在藥物療效與副作用方面，病人的反應(yīng)差異很大。這主要是由于病人遺傳學(xué)上存在差異（單核苷酸多態(tài)性，SNP），導(dǎo)致對藥物產(chǎn)生不同的反應(yīng)。例如細(xì)胞色素P450酶與大約25%廣泛使用的藥物的代謝有關(guān)，如果病人該酶的基因發(fā)生突變就會對降壓藥異喹胍產(chǎn)生明顯的副作用，大約5%~10%的高加索人缺乏該酶基因的活性?，F(xiàn)已弄清楚這類基因存在廣泛變異，這些變異除對藥物產(chǎn)生不同反應(yīng)外，還與易犯各種疾病如腫瘤、自身免疫病和帕金森病有關(guān)。如果利用基因芯片技術(shù)對患者先進(jìn)行診斷，再開處方，就可對病人實(shí)施個體優(yōu)化治療。另一方面，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的，用藥也應(yīng)因人而異。例如乙肝有較多亞型，HBV基因的多個位點(diǎn)如S、P及C基因區(qū)易發(fā)生變異。若用乙肝病毒基因多態(tài)性檢測芯片每隔一段時間就檢測，這對指導(dǎo)用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義。又如，現(xiàn)用于治療AIDS的藥物主要是病毒逆轉(zhuǎn)錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑，但在用藥3-12月后常出現(xiàn)耐藥，其原因是rt、pro基因產(chǎn)生一個或多個點(diǎn)突變。Rt基因四個常見突變位點(diǎn)是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu,四個位點(diǎn)均突變較單一位點(diǎn)突變后對藥物的耐受能力成百倍增加。如將這些基因突變部位的全部序列構(gòu)建為DNA芯片，則可快速地檢測病人是這一個或那一個或多個基因發(fā)生突變，從而可對癥下藥，所以對指導(dǎo)治療和預(yù)后有很大的意義。
    5 測序
    基因芯片利用固定探針與樣品進(jìn)行分子雜交產(chǎn)生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。Mark chee等用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列，準(zhǔn)確率達(dá)99%。Hacia等用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在外顯子11約3.4kb長度范圍內(nèi)的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進(jìn)化上的高度相似性。據(jù)未經(jīng)證實(shí)的報道，去年有一種不成熟的生物芯片在15分鐘內(nèi)完成了1．6萬個堿基對的測定，96個這樣的生物芯片的平行工作，就相當(dāng)于每天1．47億個堿基對的分析能力！
    6 生物信息學(xué)研究
    人類基因組計劃（HGP）是人類為了認(rèn)識自己而進(jìn)行的一項(xiàng)偉大而影響深遠(yuǎn)的研究計劃。目前的問題是面對大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正體現(xiàn)HGP計劃的價值--破譯人類基因這部天書。后基因組計劃、蛋白組計劃、疾病基因組計劃等概念就是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而提出的?；虻墓δ懿⒉华?dú)立的,一個基因表達(dá)的上調(diào)或者下調(diào)往往會影響上游和下游幾個基因表達(dá)狀態(tài)的改變，從而進(jìn)一步引起和這幾個基因相關(guān)的更多基因的表達(dá)模式的改變。基因之間的這種復(fù)雜的相互作用組成了一張交錯復(fù)雜的立體的關(guān)系網(wǎng)。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關(guān)系，全面了解不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態(tài)等的基因表達(dá)差異信息，并找出其中規(guī)律。生物信息學(xué)將在其中扮演至關(guān)重要的角色。基因芯片技術(shù)就是為實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)而建立的，使對個體生物信息進(jìn)行高速、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學(xué)研究中的一個重要信息采集和處理平臺，成為基因組信息學(xué)研究的主要技術(shù)支撐。比如研究基因生物學(xué)功能的方式是監(jiān)測基因在不同組織、不同發(fā)育階段、不同健康狀況下在機(jī)體中活性的變化。這是一項(xiàng)非常麻煩的工作，但基因芯片技術(shù)可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內(nèi) 獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到。
    由于人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子,在今后的幾十年內(nèi),人類將測出所有物種的"基因圖譜"。因此,類似如人類基因組計劃的上調(diào)或者下調(diào)往往會影響上游和下游幾個基因表達(dá)狀態(tài)的改變，從而進(jìn)一步引起和這幾個基因相關(guān)的更多基因的表達(dá)模式的改變?；蛑g的這種復(fù)雜的相互作用組成了一張交錯復(fù)雜的立體的關(guān)系網(wǎng)。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關(guān)系，全面了解不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態(tài)等的基因表達(dá)差異信息，并找出其中規(guī)律。生物信息學(xué)將在其中扮演至關(guān)重要的角色?；蛐酒夹g(shù)就是為實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)而建立的，使對個體生物信息進(jìn)行高速、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學(xué)研究中的一個重要信息采集和處理平臺，成為基因組信息學(xué)研究的主要技術(shù)支撐。比如研究基因生物學(xué)功能的方式是監(jiān)測基因在不同組織、不同發(fā)育階段、不同健康狀況下在機(jī)體中活性的變化。這是一項(xiàng)非常麻煩的工作，但基因芯片技術(shù)可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內(nèi)獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到。
    由于人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子,在今后的幾十年內(nèi),人類將測出所有物種的"基因圖譜"。因此,類似如人類基因組計劃的基因研究和生物信息產(chǎn)業(yè),還僅僅是一個起步，其將來的發(fā)展前景是無法估量的。生物芯片作為生物信息學(xué)的主要技術(shù)支撐和操作平臺，其廣闊的發(fā)展空間就不言而喻。
    在實(shí)際應(yīng)用方面，生物芯片技術(shù)可廣泛應(yīng)用于疾病診斷和治療、藥物基因組圖譜、藥物篩選、中藥物種鑒定、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境檢測、國防等許多領(lǐng)域。它將為人類認(rèn)識生命的起源、遺傳、發(fā)育與進(jìn)化、為人類疾病的診斷、治療和防治開辟全新的途徑，為生物大分子的全新設(shè)計和藥物開發(fā)中先導(dǎo)化合物的快速篩選和藥物基因組學(xué)研究提供技術(shù)支撐平臺，這從我國99年3月國家科學(xué)技術(shù)部剛起草的《醫(yī)藥生物技術(shù)“十五”及2015年規(guī)劃》中便可見一斑：規(guī)劃所列十五個關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目中，就有八個項(xiàng)目（基因組學(xué)技術(shù)、重大疾病相關(guān)基因的分離和功能研究、基因藥物工程、基因治療技術(shù)、生物信息學(xué)技術(shù)、組合生物合成技術(shù)、新型診斷技術(shù)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生物芯片技術(shù)）要使用生物芯片。生物芯片技術(shù)被單列作為一個專門項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃?？傊镄酒夹g(shù)在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等凡與生命活動有關(guān)的領(lǐng)域中均具有重大的應(yīng)用前景。
三、基因芯片的前景
    基因芯片技術(shù)具有高度并行性、多樣性、微型化和自動化這四大特點(diǎn)。高度并行性有利于基因芯片所示圖譜的快速對照和閱讀，效率大為提高；多樣性則提供了樣品的多指標(biāo)測定；微型化的好處在于對樣品的需要量非常少，而且還能節(jié)省試劑用量，降低成本；自動化使得人力投入減少并保證了質(zhì)量。同時，它還具有操作簡便、信息綜合處理能力強(qiáng)、結(jié)果可靠和儀器配套齊全等優(yōu)勢
    有關(guān)認(rèn)為，生物芯片將在以下四個方面具有廣闊的前景：
    藥物篩選和新藥開發(fā)由于所有藥物(或獸藥)都是直接或間接地通過修飾、改變?nèi)祟?或相關(guān)動物)基因的表達(dá)及表達(dá)產(chǎn)物的功能而生效，而芯片技術(shù)具有高通量、大規(guī)模、平行性地分析基因表達(dá)或蛋白質(zhì)狀況(蛋白質(zhì)芯片)的能力，利用芯片進(jìn)行大規(guī)模的藥物篩選研究可以省略大量的動物實(shí)驗(yàn)甚至臨床，縮短藥物篩選所用時間，提高效率，降低風(fēng)險。
    中藥基因組學(xué)研究和我國的中藥現(xiàn)代化中藥基因組學(xué)的含義是通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段結(jié)合傳統(tǒng)中藥理論和現(xiàn)代科學(xué)理論，將中藥的藥性、功能及主治與其對特定疾病相關(guān)基因表達(dá)調(diào)控的影響關(guān)聯(lián)起來，在分子水平上用現(xiàn)代基因組學(xué)，特別是功能或疾病基因組學(xué)的理論來詮釋傳統(tǒng)中藥理論及作用機(jī)理。能夠做到這一點(diǎn)，將極大地推動我國幾千年悠久深厚的中藥文化資源得到進(jìn)一步的挖掘。 
    疾病診斷基因芯片作為一種先進(jìn)的、大規(guī)模、高通量檢測技術(shù)，應(yīng)用于疾病的診斷，其優(yōu)點(diǎn)有以下幾個方面：一是高度的靈敏性和準(zhǔn)確性；二是快速簡便；三是可同時檢測多種疾病。
    環(huán)境保護(hù)及其他在環(huán)境保護(hù)上，基因芯片也有廣泛的用途，一方面可以快速檢測污染微生物或有機(jī)化合物對環(huán)境、人體、動植物的污染和危害，另一方面還可用于農(nóng)業(yè)、商檢、司法等領(lǐng)域。
預(yù)測，基因芯片及相關(guān)產(chǎn)業(yè)將取代微電子芯片產(chǎn)業(yè)，成為本世紀(jì)的產(chǎn)業(yè)。