——淺談數學、計算機在現代生命科學研究中的作用
二十世紀是物理科學的世紀，而二十壹世紀則是生命科學的世紀。生命科學，尤其是生物技術的迅猛發展，不僅與人類健康，農業發展以及生存環境密切相關，而且還將對其它學科的發展起到促進作用，所謂"今天的科學，明天的技術，後天的生產"。而生命科學的基礎性研究是現代生物技術的源泉、科學和技術創新的關鍵。
現代生物技術，是壹門領導尖端科技的學科，正因如此，我很想知道它與數學——我得專業課，計算機等理論或技術是怎樣有機的聯系在壹起的。基於此，我利用課余時間查閱了許多網站、書籍，並有了小小的收獲。現就“基因芯片”技術，淺談如下。
壹、基因芯片簡介
基因芯片，也叫DNA芯片，是在90年代中期發展出來的高科技產物。基因芯片大小如指甲蓋壹般，其基質壹般是經過處理後的玻璃片。每個芯片的基面上都可劃分出數萬至數百萬個小區。在指定的小區內，可固定大量具有特定功能、長約20個堿基序列的核酸分子（也叫分子探針）。
由於被固定的分子探針在基質上形成不同的探針陣列，利用分子雜交及平行處理原理，基因芯片可對遺傳物質進行分子檢測，因此可用於進行基因研究、法醫鑒定、疾病檢測和藥物篩選等。基因芯片技術具有無可比擬的高效、快速和多參量特點，是在傳統的生物技術如檢測、雜交、分型和DNA測序技術等方面的壹次重大創新和飛躍。
二、基因芯片技術
生物芯片技術是於90年代初期隨著人類基因組計劃的順利進行而誕生，它是通過像集成電路制作過程中半導體光刻加工那樣的微縮技術，將現在生命科學研究中許多不連續的、離散的分析過程，如樣品制備、化學反應和定性、定量檢測等手段集成於指甲蓋大小的矽芯片或玻璃芯片上，使這些分析過程連續化和微型化。也就是說將現在需要幾間實驗室、檢驗室完成的技術，制作成具有不同用途的便攜式生化分析儀，使生物學分析過程全自動化，分析速度成千上萬倍地提高，所需樣品及化學試劑成千上萬倍地減少。可以預見，在不遠的將來，用它制作的微縮分析儀將廣泛地應用於分子生物學、醫學基礎研究、臨床診斷治療、新藥開發、司法鑒定、食品衛生監督、生物武器戰爭等領域。
生物芯片技術是目前應用前景最好的DNA分析技術之壹，分析對象可以是核酸、蛋白質、細胞、組織等。目前全世界用生物芯片進行疾病診斷還處於研究階段，國外已將其用於觀察癌基因及肌萎縮等壹些遺傳病基因的表達和突變情況。
生物芯片技術還可以用於治療，例如已開發出在4平方毫米的芯片上布滿400根有藥物的針，定時定量為病人進行藥物註射。另外，科學家還在考慮制作定時釋放胰島素治療糖尿病的生物芯片微泵及可以置入心臟的芯片起搏器等。生物芯片技術與組合化學相結合將開辟另壹個極有價值的應用方向，即為新藥研制提供超高通量篩選平臺技術，這必將使新藥研究開發和傳統中藥的成分評估獲得重大突破。
三、基因芯片的應用技術舉例
1、基因破譯
目前，由多國科學家參與的“人類基因組計劃”，正力圖在21世紀初繪制出完整的人類染色體排列圖。眾所周知，染色體是DNA的載體，基因是DNA上有遺傳效應的片段，構成DNA的基本單位是四種堿基。由於每個人擁有30億對堿基，破譯所有DNA的堿基排列順序無疑是壹項巨型工程。與傳統基因序列測定技術相比，基因芯片破譯人類基因組和檢測基因突變的速度要快數千倍。
基因芯片的檢測速度之所以這麽快，主要是因為基因芯片上有成千上萬個微凝膠，可進行並行檢測；同時，由於微凝膠是三維立體的，它相當於提供了壹個三維檢測平臺，能固定住蛋白質和DNA並進行分析。
美國正在對基因芯片進行研究，已開發出能快速解讀基因密碼的“基因芯片”，使解讀人類基因的速度比目前高1000倍。圖1所示為壹種內嵌基因芯片的基因檢測裝置。
2、基因診斷
通過使用基因芯片分析人類基因組，可找出致病的遺傳基因。癌癥、糖尿病等，都是遺傳基因缺陷引起的疾病。醫學和生物學研究人員將能在數秒鐘內鑒定出最終會導致癌癥等的突變基因。借助壹小滴測試液，醫生們能預測藥物對病人的功效，可診斷出藥物在治療過程中的不良反應，還能當場鑒別出病人受到了何種細菌、病毒或其他微生物的感染。利用基因芯片分析遺傳基因，將使10年後對糖尿病的確診率達到50％以上。
未來人們在體檢時，由搭載基因芯片的診斷機器人對受檢者取血，轉瞬間體檢結果便可以顯示在計算機屏幕上。利用基因診斷，醫療將從千篇壹律的“大眾醫療”的時代，進步到依據個人遺傳基因而異的“定制醫療”的時代。
3、基因環保
基因芯片在環保方面也大有可為。基因芯片可高效地探測到由微生物或有機物引起的汙染，還能幫助研究人員找到並合成具有解毒和消化汙染物功能的天然酶基因。這種對環境友好的基因壹旦被發現，研究人員將把它們轉入普通的細菌中，然後用這種轉基因細菌清理被汙染的河流或土壤。
4、基因計算
DNA分子類似“計算機磁盤”，擁有信息的保存、復制、改寫等功能。將螺旋狀的DNA的分子拉直，其長度將超過人的身高，但若把它折疊起來，又可以縮小為直徑只有幾微米的小球。因此，DNA分子被視為超高密度、大容量的分子存儲器。
基因芯片經過改進，利用不同生物狀態表達不同的數字後還可用於制造生物計算機。基於基因芯片和基因算法，未來的生物信息學領域，將有望出現能與當今的計算機業硬件巨頭――英特爾公司、軟件巨頭――微軟公司相匹敵的生物信息企業。
四、基因芯片的實際應用
基因芯片在生命科學、醫藥研究、環境保護和農業等領域有極其重要的應用價值。在基因芯片的驅動下，人類正進入壹個嶄新的生物信息時代。
1、在美國科學家第壹次將壹個他們稱之為生物芯片的計算機芯片植入人體的細胞上，從而使人體細胞與計算機連接。這是美國科學家波利斯·魯賓斯基（Boris Lubinsky）和他的同事黃永（譯音）在3月份的美國《生物醫學微設備》雜誌中著文披露的。
2、人體細胞外面包有壹個細胞膜，該細胞膜具有使特定物質單向通過的功能。多年來，科學家們壹直尋求找到用電沖擊的方法，使所希望的物質進入細胞膜，但直 到目前為止，所用的方法有時成功，有時失敗。而使用魯賓斯基和黃永研究出來的 新方法，細胞膜由計算機得到壹個信號，讓某些物質進入到細胞中。隨具體場合的 不同，這些物質可以是例如用來改變基因的遺傳物質，也可以是藥物或蛋白質。這樣，就可以更好地使這些物質發生效力。
魯賓斯基等科學家打算研制出能對例如神經細胞和肌肉等人體組織發出指令的生物芯片，這樣至少會使人所服用的藥物發揮更大的效力。俄亥俄州立大學生物醫學工程中心主任莫裏羅·弗拉裏稱魯賓斯基的這項發明是處在發展階段早期的具有潛在作用的實驗室工具。
美國科學家們稱，他們已經找到了壹種能使人體細胞和電路進行交配的生物工程芯片，它能在醫學和基因工程學方面發揮關鍵的作用。
這種比頭發還小還細的微型裝置使健康人體細胞和電子芯片結合，通過電腦對芯片進行控制，科學家認為他們能夠控制細胞的活動。
電腦向細胞芯片發送電脈沖，激發細胞膜孔張開，並激活細胞。科學家希望能夠大批量地生產這種細胞芯片，並能夠把它們植入人體，取代或修正病變組織。
領導這項研究的加州大學機械工程學教授鮑裏斯·魯賓斯基說：“細胞芯片還使科學家在復雜的基因治療過程中更準確地進行控制，因為他們能夠更準確地開啟細胞孔。”
魯賓斯基還說：“我們在生物學領域裏引入了工程學的精髓，我們完全可以在不影響周圍其它細胞的情況下輸入DNA、提取蛋白質以及註射藥物。”
該細胞芯片的出現與長期存在的壹種理論有關，即壹定量的電壓能夠穿透細胞膜。
多年來，科學家壹直在進行用電力轟擊細胞試驗的遺傳研究，希望藉此引入新的療法和基因物質。研究人員希望能最終制造出與激活不同的身體組織（從肌肉到骨骼到大腦）所需的準確的電壓量相調合的細胞芯片。那樣的話，將會有數以千計的細胞芯片用來治療各種類型的疾病。
3、用獨創技術自行研制的中國第壹片應用型基因芯片於近日在第壹軍醫大學正式誕生。
據第壹軍醫大學有關負責人透露，該軍醫大研制成功的基因芯片，是中國首次應用壹種創新的基因片擴增技術，率先攻克了內地同行在基因芯片研究中首先面臨的快速經濟地搜集數以萬數基因探針難題，並巧妙運用新技術手段明顯地降低成本。
目前，該芯片已完成實驗室工作，即將進入臨床驗證階段，如果順利，用於臨床診斷的基因芯片可望不久投入批量生產。但到目前為止，全世界還沒有實際用於臨床應用診斷的基因芯片生產。
在實驗室裏，將這幾片比大拇指蓋稍大的基因芯片，放在檢測器上，與之相連的電腦屏幕上立刻出現了縱橫交錯的紅紅綠綠熒光點，出現的每個熒光點就是壹個基因片斷的點陣。只要取病人壹滴血放在芯片檢測卡上，經過分子雜交後，連上電腦就可以立刻顯示出基因變化情況，並通過電腦把基因語言翻譯成醫生能讀得懂的信息，從而對疾病做出準確的診斷。
這種芯片的成功誕生，標誌著疾病的診斷由細胞和組織水平推進到基因水平。它們的開發應用將在環境汙染控制、動植物檢疫、器官移植、產前診斷、藥物篩選、藥物開發等方面展示出廣闊的前景。
五、生命科學漸成IT公司關註焦點
人類基因組工作草圖繪畢的消息像打開了阿裏巴巴寶藏的大門，以基因技術為核心的生命科學市場正吸引著越來越多的淘金者。近來，為這些淘金者生產“鐵鍁”的資訊科技（IT）公司的積極行動頗為引人註目。
1、揭開基因之迷須破譯大量數據
人類基因組草圖僅僅是讀出了“生命之書”，而要真正讀懂它，揭示所有基因編碼所代表的信息，還必須破譯浩如煙海的數據。
在著名的英國桑格中心裏，有關人類基因組的數據已經達到22萬億字節，是世界上首屈壹指的美國國會圖書館藏書內容的兩倍多。據這家中心估計，在未來兩至三年內，與人類基因組有關的數據量還將上升到50萬億至100萬億字節。
2、生命科學公司10%投資用於開發資訊科技
為了解決處理數據所需的龐大計算能力的問題，世界上最大的12家生命科學公司目前把近10%的科研預算用於資訊科技投資，而且這個比例可能還將增長。
據美國國際商業機器公司（IBM）估計，與生命科學有關的資訊科技市場將在今年達到35億美元，到2003年達到90億美元。
3、市場潛力巨大
壹些著名的IT企業，已將眼光瞄準了這壹潛力巨大的市場。例如，IBM已經決定投資1億美元，用五年時間研制壹種名為“藍基因”的超級電腦。
“藍基因”的運算能力將是美國現有40臺最快的超級電腦運算能力總和的40倍，它主要用於模擬人類蛋白折疊成特殊形狀的過程。世界最大的個人電腦制造商美國康柏公司，也垂涎這塊“肥肉”。
4、康柏趁早下手培養未來客戶基礎
已經成為生命科學領域電腦服務器主要供應商的康柏公司最近宣布，它將繼續投資1億美元，支持新興生物技術公司，以培養未來的客戶基礎。
其實，IT公司還遠不止盯著這些近期利益。以基因研究為基礎的生物經濟可能在新世紀裏成為新經濟的重要組成部分，對此人們已經達成***識。
5、行業標準制定者能享有巨大經濟利益
根據以往的經驗，率先進入市場的公司大多能夠成為行業標準的制定者，這些行業標準往往意味著巨大的經濟利益。
今年8月，德國獅生命科學公司的股票上市。由於投資者看中這家公司的基因次序檢索系統（SRS）可能成為行業新標準，其股票價格在短短時間裏迅速上漲了50%。
6、政府支持基因研究
IT公司進軍生命科學領域，與各國政府對基因研究的支持密不可分。為了在基因組研究的下壹個階段——分析蛋白質結構的國際競爭中領先，不少國家積極采取措施，促進信息業與生物產業的結合。
例如，日本不久前就組織了“官產學”大聯合的“生物產業信息化研究***同體”，參加這個***同體除了制藥、食品、生物、化學等與基因科學相關的企業外，還有不少電腦公司。
小結：科學界公認，生物芯片技術將給下個世紀生命科學和醫學研究帶來壹場革命。目前我國科學家正在加速研制這種可能快捷便利提取DNA，查找遺傳基因特性的新技術。相信，這壹現代生物與高科技聯姻的成果將為二十壹世紀的發展作出巨大的貢獻！