在过去几年,DNA芯片引发了基因组学研究革命,使得其以一种以前无法想象的速度发展。在此成功的基础上,生命科学界现在又开始布署发展的下一个阶段:蛋白质芯片(蛋白质芯片)。
"因为它像是DNA芯片的线性翻译,所以蛋白质芯片看上去是一个不错的主意。"系统生物学研究所的创办人之一Ruedi Aebersold 如是说。然而,蛋白质生物芯片比DNA芯片有着明显的优势。虽然利用DNA工具能测量一个细胞中的信使RNA 的表达水平,但不能直接测量蛋白质的数量或功能。相反地,蛋白质生物芯片能直接测定蛋白质的相对水平及与其他分子的交互作用情况。"信使RNA很美好,但它只能提供细胞生理的大概状况,而蛋白质却能以定量化的方式告诉你基因的活动情况," International TeleChem 的访问学者马克 Schena 说,"它是细胞的一个比较直接的数据解析,而此正是我们所孜孜以求的目标。"
然而,真正实施蛋白质芯片比表面看起来要困难很多。例如,蛋白质存在着材料的限制:我们不能很轻易地得到数千数百克的蛋白质;时常能发现当某一条件对核酸芯片有效的时候,对蛋白质芯片却并非如此,换句话说,也就是它此刻还不是很方便使用;同时,蛋白质还有在活细胞之外不稳定的问题,就如淘气的家伙,也不如DNA那样容易被做成标签。
目前可用的技术
然而,蛋白质芯片已经开始证明其价值了。蛋白质芯片有许多难点,然而,在基因组时代发展积累起来的技术给蛋白质芯片以很大的支持。蛋白质芯片并没有超越DNA芯片,反而这2者是互为补充的。"现在科学家用二个独立的方法来研究相同的系统,得到2组互为补充的数据,"Aebersold 解释. "藉由比较来自二个方法的结果,使得人们在转录与蛋白质的水平来理解基因表达。"
蛋白质芯片并非帮助研究员处理并且了解蛋白质的唯一技术。例如,最近在微流体学(microfluidics)的进步促进了芯片上实验室与CD上实验室的发展,对蛋白质芯片而言是很大的挑战。总体来说,蛋白质组学是很多继续发现和许多不同的技术积极叁与的结果," 德国Agilent公司芯片实验室产品行销经理汤尼 Owen 说"还没有哪种技术能一枝独秀。
那并非缺乏尝试的原因,这些不同的工具和技术的供应商平静地参与到市场占有率和客户满足的竞争中。"我们看见许多在该区域开始活动的公司,"Torben说,瑞典的公司 Affibody 的CEO,"某些技术正在开始启动并开始生产工业化所需的产品。
这些需求大比例地拓宽了药物发展的需求. " 蛋白质需要准确地定量,在确定目标和领引确认期间,"Bondesson 说. "下游新技术帮助小动物模型,例如转基因老鼠之类,建立起比较蛋白质文库"。临床医生也开始对蛋白质的排列和相关的技术感兴趣. " 我们正在研究病人体液和正常人的体液中蛋白质的式样," 说富有的 Ciphergen. "临床医生已经理解生物标记和文库的想法,"
研究团体
简单研究单一某个蛋白质的日子已经过去很久了。时到今天,研究人员通常能使用蛋白质排列和相似的技术研究某族蛋白质,来增加对细胞内蛋白质系统复杂的交互作用的理解. "主要优势是能够一次研究数以百计的蛋白质而非一个蛋白一个蛋白," BD Biosciences Clontech产品经理亚伯 Couse 说。
科学家能在实验室中生产蛋白质芯片, 用做DNA芯片的方法。或者,他们能求助於制厂家,从他们那里买到不同类型蛋白质芯片,甚至,还可以让厂家帮助完成基于蛋白质的生物芯片全套蛋白质分析。
哈佛大学的 Stuart Schreiber 博士首次催生了蛋白质芯片。2000 年9月 8 日 "科学"刊文章中,他描述了用显微镜玻片,精密机械手和其他的现货产品生产蛋白质芯片的过程。早期的蛋白质芯片已经可以做到在一个载玻片上点10,000点了。
今天, Apogent 技术公司,Genetix 和其他的厂商提供完成蛋白质的芯片所需的一系列产品:"当你有正确的工具的时候,蛋白质芯片的制造相当容易,只需点印技术,机械手,表面化学,样品准备和环境的监控等,"
技术上的挑战
因为蛋白质的性质,使蛋白质的生物芯片比DNA芯片面临更多的技术挑战。科学家必须精确控制他们的pH值,温度和溶液离子强度以及在吸附介质上的稳定性。为此,许多研究人员已经转而求助於那些专门提供现货的厂家。现货帮人们克服了上述所有的困难。除了 PerkinElmer,能提供蛋白质的分析必需工具,装备和试剂的公司还有Amersham Biosciences 和Bio Rad。
PerkinElmer与 NextGen 协同合作发展了蛋白质高通量分析的工作站。它把独特的微流体系统,完整的软件控制接口和具追踪能力的条形码整合到公司的其他蛋白质芯片技术之中,PerkinElmer发展出对样品需求量很低的系统,如 75μl,这样的微小体积系统很重要,尤其是当只有小量的样品时候或想要避免大的体积导致的高费用的时候。
多种方法学
Zyomyx 也瞄准生物学的样品保护,注意力集中在蛋白质的分析工具的开发上,许可实验室和临床的研究员构建多重和定量的蛋白质表达文库。今年二月,Zyomyx公司发布了所谓的"蛋白质文库生物芯片系统"的产品,由1,200个抗体装载的芯片,1200个自动化工作站,扫描仪和数据分析软件组成。Zyomyx's在二月也宣布人类细胞因子生物芯片,包含30个调停发炎和自体免疫疾病有关的cytokines 和 chemokines。Zyomyx不仅制造为市场准备的芯片,而且也可以为顾客量身定制他们所需特别的芯片。其他的公司 ,例如R&D和RayBiotech,则提供细胞因子芯片。
检测的困难
蛋白质芯片的主要困难之一是检测。Ciphergen公司的ProteinChip技术提供多种表面化学试剂允许研究人员选择优化蛋白质的提取和分析。"我们率先应用色谱类表层来广义选择性吸附不同类别的蛋白质,还有蛋白质芯片帮助科研人员选择性地结合蛋白质与抗体,并用此来揭示蛋白质间的相互作用。ProteinChip 技术允许研究人员制造他们的自己蛋白质生物芯片。"这样,科学家在预先激活的表面共价固相化感兴趣的蛋白质,藉此建立多种类型交互作用的研究系统,包括抗体和抗原,DNA和蛋白质,受体与配体之间。Ciphergen公司藉由专利化的增强激光离子化表面技术与质谱相结合优化了蛋白质的检测。这个技术极大地提高了对芯片实时研究的敏感性与重复性。
抗体替代方案
其实蛋白质芯片提供对蛋白质的行为研究的时候并非总是使用蛋白质,还包括单克隆抗体。抗体有类似于抗原蛋白的特性,并且更稳定。事实上,很难使数以百计种的蛋白质稳定并保持他们的生物学活性。也能用于研究蛋白质-蛋白质交互作用。Clontech公司开创了第一个抗体芯片,他们于2002年1月在1X3英寸大小的载玻片上点了共378单克隆抗体,到4月,抗体数目增加到507个。
一个相似的"生态位"
瑞典的Affibody公司在市场也占一个和CLONTECH相似的生态位。它供应一种叫Affibodies的独特的蛋白质结合配体。他们类似于抗体,然而他们有着抗体所没有的优点:Affibody 分子较小-只有抗体的4%,但其结合位点与抗体的相似;Affibodies非常稳定的,容易制造,储存而且耐高温;非特异性结合率非常低,与抗体相较,非常廉宜。他们正在以几克/升的浓度批量生产。
CD上的蛋白质多相电泳?
Affibody 还有一个叫Gyros的公司夥伴,一起研制出被称为"激光唱碟上的实验室"技术。一个Gyros CD通过移动微小体积液体进入圆盘内微管道网络来实现其目的的。他们压缩并整合了实验室应用的好些步骤,使纳升体积的样品检测在一个CD微细构造中进行。因为系统能自动地确定每种液体的精确体积,所以人们不需为吸量微小体积的准确性担忧,而且使得样品的需要量和得到每个数据的平均试剂消耗量大大缩减。同时,由于样品的有限性而耗时耗经费的研究能被从几个星期减少到几天。
芯片上的实验室
然而,CD也只代表了进入微小化的一个方案。一些公司有开始发展其他前景诱人的微流体蛋白质组学研究方法:芯片之上实验室。这个方面有Aclara Biosciences的一次性塑料产品,Caliper 技术公司的LabChip,德国Agilent 公司的"芯片上实验室"技术与Agilent's 自动化 2100 Bioanalyzer 。最近还出现另外一个势头很劲的BioTrove是一家由来自麻州理工学院的一群科学家组建的私人公司。
作者:Peter Gwynne 是麻萨诸塞州的一位自由专栏科学作家,Gary Heebner 是科技工业服务行销顾问,密苏里州。