發(fā)布時(shí)間：2023-09-27 16:15:12
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的生物工程和生物科學(xué)的區(qū)別樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
一、目前植物學(xué)教學(xué)中存在的主要問題
1．實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)，學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)未落到實(shí)處。
目前，在植物學(xué)教學(xué)中，一般采用先理論后實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，理論教學(xué)充分發(fā)揮了教師的主導(dǎo)作用，卻忽視了學(xué)生的主體作用［2］。以課堂為陣地，以大綱為依據(jù)，以教材為中心，以教學(xué)計(jì)劃為指導(dǎo)，重視了系統(tǒng)理論知識(shí)的傳授，注重課時(shí)計(jì)劃的完成。實(shí)驗(yàn)教學(xué)則依附于理論教學(xué)，但理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏統(tǒng)籌安排，兩者的目標(biāo)和分工也不明確，既有重復(fù)，又有脫節(jié)、遺漏的現(xiàn)象。有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡(jiǎn)單、粗糙，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的比重偏多，忽視了學(xué)生能力的培養(yǎng)，尚未開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性、研究性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法一般以“灌入式”為主，每次實(shí)驗(yàn)都有統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，統(tǒng)一的操作方法，統(tǒng)一的模式和要求。這種機(jī)械的操作和模仿，使學(xué)生處于被動(dòng)地位，對(duì)做過的實(shí)驗(yàn)印象不深，實(shí)驗(yàn)的收效甚微，難以提高學(xué)生的能力。［3］在教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃等指導(dǎo)性文件中，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分如何培養(yǎng)能力沒有明確具體的要求和培養(yǎng)措施，專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中也沒有充分反映出來，學(xué)生能力的培養(yǎng)也未能落實(shí)到教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)大綱和整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過程中去。
2．植物標(biāo)本室未能充分發(fā)揮作用
系統(tǒng)完整的標(biāo)本，無論對(duì)教學(xué)、科研，以及資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)等方面，都有非常重要的作用。因此，標(biāo)本室作為植物標(biāo)本的采集、制作、鑒定、分類單位，應(yīng)該在培養(yǎng)學(xué)生的標(biāo)本采集、制作、鑒定、分類能力，及野生植物開發(fā)利用能力、資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮作用。但是目前我們的植物標(biāo)本室，僅為教學(xué)提供部分植物標(biāo)本，只發(fā)揮了標(biāo)本貯藏室的作用。
3．植物學(xué)教學(xué)沒有為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)
地方政府根據(jù)本地特色制定相應(yīng)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，這就需要很多各具特色的專業(yè)人才。植物學(xué)課程教學(xué)本來較容易體現(xiàn)地方特色，擴(kuò)大學(xué)生在地方特色植物和經(jīng)濟(jì)、藥用植物方面的知識(shí)，通過強(qiáng)化植物學(xué)野外實(shí)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生在植物資源調(diào)查、保護(hù)、開發(fā)、利用等方面的實(shí)際工作能力，為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)培養(yǎng)人才。但目前培養(yǎng)的學(xué)生，在植物學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用、動(dòng)手能力等方面根本不能適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展對(duì)具有植物資源保護(hù)、開發(fā)、利用能力人才的需求。
4．植物學(xué)教學(xué)內(nèi)容沒有反映出學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)
21世紀(jì)植物科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)將突出地表現(xiàn)在以下3個(gè)方面［4］：一是不僅植物科學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科間相互滲透與交叉，學(xué)科間的界限逐漸淡化，而且植物科學(xué)與化學(xué)、數(shù)學(xué)、物理等自然科學(xué)各門類，乃至社會(huì)科學(xué)的相互交流、學(xué)習(xí)，在技術(shù)、觀念、思維上都得到新啟發(fā)，大大促進(jìn)了植物科學(xué)的發(fā)展。二是與應(yīng)用有關(guān)的植物科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速，植物科學(xué)的研究將會(huì)更加密切地與解決人類面臨的糧食、能源、環(huán)境、生物多樣性保護(hù)等重大實(shí)際問題緊密聯(lián)系在一起。三是分子生物學(xué)帶動(dòng)了植物科學(xué)的發(fā)展，而目前植物學(xué)教材未能反映出上述學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)。
二、植物學(xué)課程體系改革的基本原則
現(xiàn)代課程理論認(rèn)為，無論何種模式的課程，課程目標(biāo)的確立、課程的設(shè)計(jì)、課程的實(shí)施、管理和評(píng)價(jià)，都必須處理好以下幾個(gè)關(guān)系：分科與綜合、統(tǒng)一與多樣、選修與必修、學(xué)科內(nèi)與學(xué)科外的關(guān)系。植物學(xué)課程體系設(shè)置及教學(xué)改革在處理這些關(guān)系時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持“四個(gè)統(tǒng)一”的原則。［5］
1．分科與綜合的統(tǒng)一
植物學(xué)是一門專業(yè)性很強(qiáng)的學(xué)科，這是分科教學(xué)的基礎(chǔ)。這里有兩層含義：一是植物學(xué)作為一門學(xué)科，有它自己獨(dú)立的研究領(lǐng)域、研究對(duì)象，它需要獨(dú)特的研究方法對(duì)它進(jìn)行研究，這是植物學(xué)與其他學(xué)科分科的基礎(chǔ)。二是植物學(xué)科內(nèi)部也發(fā)生著學(xué)科分化，產(chǎn)生了許多分支學(xué)科，如果不對(duì)此進(jìn)行深入研究，則很難掌握植物學(xué)的全貌。另外，不同專業(yè)對(duì)植物學(xué)知識(shí)的需求和依賴是有區(qū)別的，生物工程專業(yè)植物學(xué)課程不同于生物科學(xué)、生物教育以及植物生產(chǎn)類專業(yè)。但同時(shí)，由于學(xué)科間的交叉融合愈益明顯，體現(xiàn)著綜合化的發(fā)展趨勢(shì)，科學(xué)技術(shù)上的許多重大突破，得益于交叉科學(xué)的發(fā)展。因此，植物學(xué)課程改革和教學(xué)也應(yīng)體現(xiàn)這種趨勢(shì)。
2．統(tǒng)一性與多樣性的統(tǒng)一
對(duì)國家的課程開發(fā)而言，要制定課程的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在課程標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)教材多樣化。在課程管理上，國家允許學(xué)校在一定范圍內(nèi)開發(fā)課程。對(duì)學(xué)校來說，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一性與多樣性的統(tǒng)一，就是一方面保證國家課程標(biāo)準(zhǔn)的有效實(shí)行，一方面根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，開發(fā)適合當(dāng)?shù)貤l件的課程，因地制宜地搞好教學(xué)。在植物學(xué)科上這個(gè)特點(diǎn)更為突出，全國各地的植被特點(diǎn)、生態(tài)環(huán)境多種多樣。因此，全國統(tǒng)編的植物學(xué)教材不可能適應(yīng)全國各院校的教學(xué)需要，所以，編寫適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的植物學(xué)教材，是植物學(xué)課程改革的重要內(nèi)容。
3．選修與必修的統(tǒng)一
必修課是某學(xué)科所必需掌握的基本內(nèi)容，而選修課是為了開闊學(xué)生視野，滿足學(xué)生多方面興趣或在某一方面深入學(xué)習(xí)的需要而開設(shè)的。目前，植物學(xué)在課程設(shè)置上基本都是必修課，執(zhí)行國家統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)，與當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活聯(lián)系不緊密，學(xué)生普遍感到植物學(xué)枯燥，因此，適當(dāng)開設(shè)一些學(xué)生喜歡的選修課或講座，兼顧學(xué)術(shù)性與趣味性，不僅可以解決植物學(xué)課時(shí)緊張的矛盾，還可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)植物學(xué)的興趣。
4．學(xué)科內(nèi)與學(xué)科外的統(tǒng)一
長期以來，人們只注重學(xué)科課程對(duì)學(xué)生的教育意義，而忽視學(xué)科課程以外的活動(dòng)等的教育意義。植物學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，真正學(xué)好植物學(xué)，課堂學(xué)習(xí)只是一部分，教學(xué)實(shí)習(xí)和經(jīng)常地用植物學(xué)知識(shí)觀察周圍的植物生態(tài)環(huán)境對(duì)于掌握植物學(xué)知識(shí)具有重要作用。因此，植物學(xué)課程及教學(xué)改革要在搞好學(xué)科課程設(shè)置和課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)、組織好教學(xué)實(shí)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生觀察周圍植物生態(tài)環(huán)境的方法和習(xí)慣。
三、植物學(xué)課程體系改革的幾點(diǎn)設(shè)想
1．根據(jù)專業(yè)構(gòu)建植物學(xué)課程體系
我院生命科學(xué)系目前有生物工程、生物科學(xué)和園林三個(gè)專業(yè)，但隨著學(xué)校的發(fā)展，生命科學(xué)系擬申報(bào)新的專業(yè)。因此，在植物學(xué)課程體系改革規(guī)劃上應(yīng)有前瞻性。將原有的單一植物學(xué)教學(xué)，拓展為兩個(gè)類別的教學(xué)內(nèi)容，既能使各專業(yè)都能掌握最基本的植物學(xué)知識(shí)，又照顧不同專業(yè)的特點(diǎn)。兩個(gè)類別的植物學(xué)課程分別為：專業(yè)基礎(chǔ)課類的開設(shè)《植物學(xué)》、《植物生物學(xué)》、《植物生理學(xué)》；專業(yè)課類的開設(shè)《植物分類學(xué)》、《園林植物學(xué)》、《藥用植物學(xué)》等。涉及的專業(yè)有生物工程、園林、生物科學(xué)、生物制藥等四個(gè)專業(yè)。隨著專業(yè)的增加，只需增開專業(yè)課。這其中，以生物科學(xué)的本科生的《植物學(xué)》課程為主干，建立理論課與實(shí)驗(yàn)課兩個(gè)教學(xué)系列，將原有的植物學(xué)課程劃分為植物學(xué)和植物學(xué)實(shí)驗(yàn)兩門課。植物實(shí)驗(yàn)課單列，并且將每次課2學(xué)時(shí)改為3～4學(xué)時(shí)連續(xù)進(jìn)行，提高實(shí)驗(yàn)課質(zhì)量。
2．增設(shè)選修課和專題講座
由于課時(shí)的限制，植物學(xué)的許多內(nèi)容不可能都進(jìn)入必修課內(nèi)容，因此，還需開設(shè)一定數(shù)量的選修課，選修課的開設(shè)應(yīng)根據(jù)兩個(gè)方面，一是根據(jù)學(xué)科發(fā)展，以確保選修課的整體水平；二是根據(jù)學(xué)生的興趣，以達(dá)到滿足個(gè)性化培養(yǎng)的要求。但兩者應(yīng)有機(jī)結(jié)合。
3．加強(qiáng)教材建設(shè)，貫徹課程改革思想。
教材是課程的載體，課程改革的思想要在教材上有所體現(xiàn)。長期以來，我們的植物學(xué)課程教材都是使用華東師范大學(xué)陸時(shí)萬等主編的《植物學(xué)》。該教材的優(yōu)點(diǎn)是涉及面廣，內(nèi)容豐富。但由于我國國土遼闊，各地氣候差異大，東西南北的植物種類均有極大差別，因此使用全國統(tǒng)編教材，針對(duì)性不強(qiáng)，實(shí)用性欠佳。有必要在今后的教學(xué)改革實(shí)踐中編寫適合本地區(qū)情況的教材及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)用書。
4．建立植物學(xué)野外實(shí)習(xí)基地
植物學(xué)野外實(shí)習(xí)是植物學(xué)理論知識(shí)與自然界密切結(jié)合的重要手段。通過野外實(shí)習(xí)教學(xué)，使學(xué)生學(xué)習(xí)本學(xué)科的基本研究方法，應(yīng)用植物學(xué)知識(shí)完成調(diào)查研究任務(wù)。選擇一個(gè)良好的實(shí)習(xí)基地是搞好植物學(xué)野外實(shí)習(xí)的前提和基礎(chǔ)。應(yīng)選擇交通較方便、植物種類較豐富、有條件解決大量人員食宿的地方作為野外實(shí)習(xí)基地，進(jìn)行植物學(xué)野外實(shí)踐教學(xué)。
參考文獻(xiàn)
1 程焉平、倪福太.植物學(xué)課程整體教學(xué)改革與實(shí)踐.吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004.（4）：29～31
2 李東林、葉愛華、張 智、滕艷芬、李四紅、滕德斌、謝 剛.電化教學(xué)手段與現(xiàn)代化的植物學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.高等農(nóng)業(yè)教育，1998.1：72～75
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關(guān)鍵詞：生命科學(xué)；開放式討論教學(xué)；案例分析
生命科學(xué)是研究生命活動(dòng)的本質(zhì)和發(fā)生規(guī)律，以及各種生物之間和生物與環(huán)境之間相互關(guān)系的學(xué)科。近年來，生命科學(xué)研究的新方法、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)為解析各種生命現(xiàn)象構(gòu)建了研究平臺(tái)，使科研人員從分子、細(xì)胞、個(gè)體和群體各層面深入探討生命活動(dòng)的基本規(guī)律成為現(xiàn)實(shí)，促進(jìn)了生命科學(xué)領(lǐng)域中一系列觀念和認(rèn)識(shí)的更新［1］。與此同時(shí)，生命科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的進(jìn)步也促進(jìn)了應(yīng)用，其成果正在以前所未有的速度向農(nóng)牧漁業(yè)、能源工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、食品輕工和醫(yī)藥衛(wèi)生等多個(gè)方面滲透，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益［2］。因此，目前高校生命科學(xué)相關(guān)的專業(yè)課程中既包含基礎(chǔ)理論又包含技術(shù)手段，既包含研究前沿又包含應(yīng)用進(jìn)展，內(nèi)容豐富、信息量大、邏輯性強(qiáng)。在當(dāng)今以素質(zhì)教育和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為核心的教育思想指導(dǎo)下，生命科學(xué)相關(guān)課程的教學(xué)過程中應(yīng)采取靈活多樣的教學(xué)方式，幫助學(xué)生夯實(shí)基本概念，掌握前沿進(jìn)展，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)和未來社會(huì)發(fā)展的需要。傳統(tǒng)的課堂授課方式以教師主動(dòng)講述、學(xué)生被動(dòng)接受為主。這種授課方式教師講授偏多，學(xué)生主動(dòng)性發(fā)揮不足，從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)部分知識(shí)點(diǎn)掌握的深度和廣度受到限制，僅停留在熟練記憶的層面。近年來，筆者對(duì)生命科學(xué)專業(yè)課程教學(xué)方式進(jìn)行了初步的改革嘗試，將教師講授式授課與開放式討論授課相結(jié)合，注重對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、思維能力、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，產(chǎn)生了積極的反響。我們?cè)趯W(xué)期伊始便給學(xué)生介紹與本課程相關(guān)的參考書、期刊和網(wǎng)站，教授學(xué)生查閱中英文相關(guān)文獻(xiàn)的方法，隨后將與課堂教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的知識(shí)延伸、科研進(jìn)展、研究方法等作為小組（每小組學(xué)生4～6人）討論題目布置給學(xué)生。學(xué)生通過在課下查閱文獻(xiàn)、積極思考和相互交流等方式深入認(rèn)識(shí)討論題目，并在課堂上以視頻、PPT和presentation的方式向全班同學(xué)展示。而小組展示過后，教師會(huì)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所講內(nèi)容展開討論并對(duì)討論內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)。同時(shí)，教師根據(jù)學(xué)生報(bào)告情況予以打分，并按一定百分比計(jì)入期末成績。下面筆者以生命科學(xué)專業(yè)的骨干必修課“細(xì)胞生物學(xué)”和專業(yè)必修課“植物生理學(xué)”為例，闡述如何在生命科學(xué)專業(yè)的教學(xué)中引入開放式討論教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生深入探究生命科學(xué)理論的內(nèi)涵。
一、開放式討論教學(xué)應(yīng)用于“細(xì)胞生物學(xué)”課程教學(xué)的案例展示
細(xì)胞作為有機(jī)體結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)的基本單位，既是生命科學(xué)發(fā)展的生長點(diǎn)，又是生命科學(xué)發(fā)展的匯聚點(diǎn)。細(xì)胞生物學(xué)是在顯微、亞顯微和分子水平研究和揭示細(xì)胞基本生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，是當(dāng)代生命科學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科。目前，細(xì)胞生物學(xué)的研究日益深入，已成為21世紀(jì)生命科學(xué)研究的重要領(lǐng)域。“細(xì)胞生物學(xué)”課程既是北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院理科基地生物科學(xué)專業(yè)的重要主干課程，也是生物技術(shù)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。
（一）通過開放式討論教學(xué)引入最新科研進(jìn)展內(nèi)容
“細(xì)胞生物學(xué)研究方法”是“細(xì)胞生物學(xué)”課程中承前啟后的一個(gè)章節(jié)，該章節(jié)從細(xì)胞形態(tài)的顯微觀察、細(xì)胞及其組分的分析、細(xì)胞培養(yǎng)與生物工程、細(xì)胞及生物大分子的動(dòng)態(tài)變化等幾個(gè)方面介紹了有關(guān)細(xì)胞生物學(xué)的研究方法。其中關(guān)于細(xì)胞形態(tài)的顯微觀察，課本中主要介紹了光學(xué)顯微鏡、熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡和電子顯微鏡的原理和使用方法。這些顯微成像技術(shù)可以幫助研究者從分子和細(xì)胞等微觀層面觀察生命過程中的變化，揭示生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和動(dòng)態(tài)規(guī)律。近年來，科學(xué)家們不斷嘗試，實(shí)現(xiàn)了突破衍射極限的光學(xué)顯微成像，即超分辨熒光顯微術(shù)［3］。2014年諾貝爾獎(jiǎng)即授予了其中兩種超分辨率光學(xué)顯微鏡的發(fā)明者———受激發(fā)射損耗顯微術(shù)（以下簡(jiǎn)稱為STED）的發(fā)明者StefanW．Hell和光激活定位顯微術(shù)（以下簡(jiǎn)稱為PALM）的發(fā)明者EricBetzig、WilliamE．Moerner。由于教材內(nèi)容篇幅的限制以及修訂和出版時(shí)間的周期性，這一重要內(nèi)容并沒有被及時(shí)收錄在內(nèi)。于是，我們選擇這一部分內(nèi)容作為開放式討論教學(xué)內(nèi)容。首先，教師為學(xué)生強(qiáng)調(diào)衍射極限的概念，從成像的角度來說，衍射極限影響下的顯微成像系統(tǒng)只能分辨有限小的細(xì)節(jié)，一般在200nm到300nm之間。德國物理學(xué)家ErnstAbbe發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，并將其公式刻在自己的墓碑上。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生們播放了在網(wǎng)上查找到的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的采訪視頻和超分辨率顯微術(shù)動(dòng)畫，激發(fā)大家的學(xué)習(xí)興趣；另一組學(xué)生則通過PPT和presentation展示了STED和PALM技術(shù)的原理和特點(diǎn)。隨后，教師通過設(shè)立以下問題引導(dǎo)學(xué)生展開討論：相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)顯微術(shù)，STED顯微術(shù)和PALM顯微術(shù)通過何種方式突破了刻在墓碑上的公式———光學(xué)衍射的極限，實(shí)現(xiàn)了在納米級(jí)對(duì)生物大分子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行清晰成像。最后，教師對(duì)學(xué)生講述中提到的多種超分辨率顯微鏡的優(yōu)勢(shì)和不足加以補(bǔ)充和總結(jié)。通過這次講述和討論，學(xué)生們?cè)鲩L了知識(shí)，開拓了視野，知道了超高分辨率顯微鏡通過多種技術(shù)革新大大提高了人們對(duì)細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)定位和功能分析的觀測(cè)尺度，深刻理解了顯微鏡是認(rèn)識(shí)復(fù)雜生命現(xiàn)象的窗口這一觀點(diǎn)。由上述案例可知，通過開放式討論教學(xué)可將更多的研究進(jìn)展融入到課堂教學(xué)中，更新和充實(shí)基礎(chǔ)理論。
（二）通過開放式討論教學(xué)將理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合
“細(xì)胞增殖調(diào)控與癌細(xì)胞”是“細(xì)胞生物學(xué)”課程中備受學(xué)生關(guān)注的一個(gè)章節(jié)。細(xì)胞增殖是生物繁殖和生長發(fā)育的基礎(chǔ)，是受到高度嚴(yán)格調(diào)控的細(xì)胞生命過程。在細(xì)胞增殖中任何關(guān)鍵步驟的錯(cuò)誤，都有可能引發(fā)嚴(yán)重后果。在動(dòng)物體內(nèi)，異常旺盛增殖的細(xì)胞會(huì)發(fā)生癌變轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞，對(duì)生命安全造成嚴(yán)重威脅?！凹?xì)胞生物學(xué)”課程中大多數(shù)章節(jié)理論性較強(qiáng)，知識(shí)較為抽象，然而“細(xì)胞增殖調(diào)控與癌細(xì)胞”一節(jié)與每位同學(xué)的身體健康密切相關(guān)，學(xué)生們有著強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。因此，我們借助學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將癌細(xì)胞的形成與特征部分作為開放式討論教學(xué)內(nèi)容。首先，教師為學(xué)生概述癌細(xì)胞的定義和與細(xì)胞增殖調(diào)控的關(guān)系。緊接著，有學(xué)生講解癌細(xì)胞的基本特征及腫瘤的發(fā)生過程，另一組學(xué)生講解腫瘤發(fā)生的細(xì)胞信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及目前針對(duì)特異信號(hào)通路的癌癥治療靶向藥物。隨后，教師通過設(shè)立以下問題引導(dǎo)學(xué)生展開討論：癌癥的發(fā)生與環(huán)境因素是否密切相關(guān)？癌癥是不是遺傳性疾?。堪┌Y是不是可以稱為老年疾??？癌癥的產(chǎn)生除了基因突變，有沒有其他遺傳機(jī)制的參與？等等。最后，教師對(duì)學(xué)生講述中提到的癌基因、抑癌基因和生長因子等重要知識(shí)點(diǎn)加以強(qiáng)調(diào)和深化。通過這次講述和討論，學(xué)生不但對(duì)課本知識(shí)理解得更為深刻，也真正認(rèn)識(shí)到細(xì)胞生物學(xué)與人類生活的密切關(guān)系，以及細(xì)胞生物學(xué)在解決人類所面臨的重大健康問題中所發(fā)揮的重要作用。由上述案例可知，通過開放式討論教學(xué)，可以將與理論知識(shí)密切相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用融入課堂教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)和運(yùn)用知識(shí)。
二、開放式討論教學(xué)應(yīng)用于“植物生理學(xué)”課程教學(xué)的案例展示
植物生理學(xué)包括植物生命活動(dòng)過程中物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)化、信息傳遞及由此表現(xiàn)出的形態(tài)建成等多方面內(nèi)容，是從不同層次、不同水平、不同角度探索研究植物生命活動(dòng)規(guī)律及其與環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)。植物生理學(xué)既在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域探究相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的生命現(xiàn)象本質(zhì)，又為農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。正是因?yàn)椤爸参锷韺W(xué)”課程的重要性，這門課程成為北京林業(yè)大學(xué)生物、林學(xué)、園藝和水保等多個(gè)專業(yè)的專業(yè)必修課程。
（一）通過開放式討論教學(xué)展示多種技術(shù)手段
“植物礦質(zhì)與氮素營養(yǎng)”是“植物生理學(xué)”課程中介紹植物生命活動(dòng)橫斷面中的一章，圍繞高等植物礦質(zhì)元素的概念及生理作用、礦質(zhì)離子跨膜運(yùn)輸?shù)臋C(jī)理、植物根系吸收養(yǎng)分的過程和特點(diǎn)等幾部分展開講述。膜片鉗技術(shù)和非損傷微測(cè)技術(shù)均可用來測(cè)量和研究生命體外微環(huán)境中的離子／分子流，在植物礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)運(yùn)研究中均獲得成功應(yīng)用［4］。膜片鉗技術(shù)利用微玻管電極接觸細(xì)胞膜，對(duì)膜片上離子通道的離子電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，從而反映單個(gè)或多個(gè)離子通道的分子活動(dòng)。非損傷微測(cè)技術(shù)利用選擇性電極，可在保證被測(cè)樣品完整性和近似實(shí)際生理環(huán)境狀態(tài)下，對(duì)進(jìn)出樣品的各種離子／分子流進(jìn)行三維、實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的測(cè)量，從而獲得離子／分子流的濃度、流速和運(yùn)動(dòng)方向等多方面信息。我們將這兩種研究植物礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)運(yùn)的重要技術(shù)的比較作為開放式討論教學(xué)的內(nèi)容，作為該章理論知識(shí)介紹的補(bǔ)充。首先，教師為學(xué)生講授膜片鉗技術(shù)和非損傷微測(cè)技術(shù)的歷史由來，再由一組學(xué)生講解膜片鉗技術(shù)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用舉例，而另一組學(xué)生講解非損傷微測(cè)技術(shù)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用舉例。隨后，教師通過設(shè)立以下問題引導(dǎo)學(xué)生展開討論：膜片鉗技術(shù)和非損傷微測(cè)技術(shù)相比，分別有哪些優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)？應(yīng)該應(yīng)用在哪些不同的領(lǐng)域？最后，教師為學(xué)生們講述現(xiàn)實(shí)中兩種技術(shù)的應(yīng)用并加以總結(jié)，指出膜片鉗技術(shù)是研究植物細(xì)胞膜離子通道的傳統(tǒng)工具，但非損傷微測(cè)技術(shù)可以使植物礦質(zhì)離子轉(zhuǎn)運(yùn)研究更加深入和豐滿。通過這次討論和講述，學(xué)生們?cè)诿鞔_植物礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)運(yùn)、吸收和生理功能等理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解了進(jìn)行上述理論研究的技術(shù)手段，做到了知其然，也知其所以然。由上述案例可知，通過開放式討論教學(xué)，可以有的放矢地加強(qiáng)學(xué)生對(duì)研究方法和技術(shù)手段的學(xué)習(xí)。
（二）通過開放式討論教學(xué)鍛煉學(xué)生科學(xué)思維的能力
“植物生長物質(zhì)”是“植物生理學(xué)”課程中內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立的一章，主要介紹多種植物激素和植物生長調(diào)節(jié)劑的生物學(xué)功能。在這一章中，教師不但需要為學(xué)生介紹生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸和乙烯等5大類經(jīng)典激素，還需要為學(xué)生講解油菜素內(nèi)酯、茉莉素、水楊酸、獨(dú)腳金內(nèi)酯等4大類新型植物激素。每種激素都需要圍繞激素的發(fā)現(xiàn)與種類、分布與運(yùn)輸、合成與降解代謝、生物學(xué)功能和信號(hào)傳導(dǎo)途徑等多方面進(jìn)行講述。我們希望學(xué)生在聽教師講授完其中8大類植物激素的相關(guān)知識(shí)后融會(huì)貫通、舉一反三，對(duì)最后一種也是最新的一種植物激素———獨(dú)腳金內(nèi)酯展開開放式討論。首先，教師向?qū)W生強(qiáng)調(diào)植物激素的定義和特征。緊接著，一組學(xué)生講解獨(dú)腳金內(nèi)酯的發(fā)現(xiàn)和分布、結(jié)構(gòu)和合成，而另一組學(xué)生講解獨(dú)腳金內(nèi)酯的生物學(xué)功能和信號(hào)傳導(dǎo)。隨后，教師通過設(shè)立以下問題引導(dǎo)學(xué)生展開討論：獨(dú)腳金內(nèi)酯的各種生物學(xué)功能中，哪些是與其他激素的生物學(xué)功能協(xié)同作用，哪些是與其他激素的生物學(xué)功能相拮抗的？獨(dú)腳金內(nèi)酯的信號(hào)傳導(dǎo)途徑與哪些激素的信號(hào)傳導(dǎo)途徑具有相似性，而不同之處又在哪里？最后，教師對(duì)獨(dú)腳金內(nèi)酯的各種信息進(jìn)行梳理，加深學(xué)生對(duì)植物激素特征和生物學(xué)功能的理解。通過這次討論和講述，學(xué)生們可以從對(duì)每種激素具體細(xì)節(jié)的領(lǐng)會(huì)中跳出來，對(duì)植物激素從最初合成到最后發(fā)揮生物學(xué)功能的一系列過程加以宏觀把握。由上述案例可知，通過開放式討論教學(xué)，可以鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維能力，引導(dǎo)學(xué)生由個(gè)別到一般、由局部到全面，獨(dú)立有序地完成教學(xué)內(nèi)容。通過上述“細(xì)胞生物學(xué)”課程和“植物生理學(xué)”課程中多個(gè)教學(xué)案例可以看出，開放式討論教學(xué)可以補(bǔ)充講授型課堂教學(xué)的不足，幫助學(xué)生在教師的指引下進(jìn)行積極而獨(dú)立的思考和自主而深入的學(xué)習(xí)，了解科研進(jìn)展，知曉實(shí)際應(yīng)用，掌握研究方法，鍛煉科學(xué)思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。
參考文獻(xiàn)
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［3］呂志堅(jiān)，陸敬澤，吳雅瓊，等．幾種超分辨率熒光顯微技術(shù)的原理和近期進(jìn)展［J］．生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2009，36（12）：1626－1634．
關(guān)鍵詞：生物教學(xué) 提問意識(shí) 提問技能
應(yīng)試教育中我們習(xí)慣于教育學(xué)生“如何解決問題”，忽視了教育學(xué)生“如何提出問題”，學(xué)生們很少有機(jī)會(huì)能夠主動(dòng)提問，提出問題的能力很差，即使有問題要問也很害羞，很膽怯，不敢問。久而久之，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的能力得不到培養(yǎng)，有意無意地扼殺了學(xué)生的創(chuàng)造能力，我們迫切地感受到有必要提高學(xué)生提出問題的能力。在生物教學(xué)中如何讓學(xué)生提出問題的能力得以提高，是我們課改的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
一、培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題的意識(shí)
1.激發(fā)學(xué)生提出問題。比如，在講授“生態(tài)因素對(duì)植物開花的影響”時(shí)，結(jié)合實(shí)踐提出問題：“如何使在五月開花？”讓學(xué)生討論，引起他們的興趣。另外，我們還可以通過實(shí)物、圖片等直觀方法設(shè)置問題情境，采用謎語、諺語、民俗、典故、自然現(xiàn)象等方法設(shè)置問題情境，激發(fā)學(xué)生提出問題。
2.培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)。例如“免疫”一節(jié)的教學(xué)目標(biāo)是：（1）能描述人體的免疫功能；（2）能區(qū)別人體的特異性免疫和非特異性免疫；（3）理解細(xì)胞免疫與體液免疫過程。在教學(xué)過程中，可把問題設(shè)置為：（1）人體有哪三道防線？各自的構(gòu)成和功能怎樣？（2）什么是非特異性免疫、特異性免疫？兩者有什么區(qū)別？（3）什么是抗原、抗體？兩者有何關(guān)系？……
3.鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑。在課堂教學(xué)中，激勵(lì)學(xué)生廣開思路、探索求異，通過啟發(fā)式教學(xué)，精心設(shè)置問題情境，激發(fā)學(xué)生探究問題的強(qiáng)烈意識(shí)，如：為什么靠近路燈的樹葉秋天比遠(yuǎn)離路燈處的晚變黃、晚落，而在有路燈的道路旁邊種植的水稻反而減產(chǎn)甚至顆粒無收呢？運(yùn)動(dòng)會(huì)上，同樣進(jìn)行1500米長跑，經(jīng)常鍛煉的運(yùn)動(dòng)員和不經(jīng)常鍛煉的感受一樣嗎？為什么會(huì)感到肌肉酸痛？這類問題學(xué)生在生活中都有體驗(yàn)，既可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)周圍生活觀察思考的能力，又能激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)的重要性以及生物科學(xué)的實(shí)用價(jià)值。
二、提高學(xué)生的提問技能
1.組建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，奠定學(xué)生問題的基礎(chǔ)。生物學(xué)習(xí)中問題的提出與學(xué)生掌握的生物學(xué)及其相關(guān)知識(shí)的水平要相適應(yīng)，問題的解決應(yīng)通過概念、規(guī)律、原理的正確應(yīng)用。知識(shí)網(wǎng)絡(luò)的形成一方面可讓學(xué)生根據(jù)情境結(jié)合網(wǎng)絡(luò)提出合理的有價(jià)值的問題，同時(shí)又能為解決問題的過程提供依據(jù)。因此，我們要善于引導(dǎo)學(xué)生從問題、圖表、數(shù)據(jù)等情境中，分析出教材中生物學(xué)知識(shí)內(nèi)在的聯(lián)系，并通過加工、整理、貯存等處理，形成各層次的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。
2.培養(yǎng)相關(guān)能力，形成提問的技能。根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，可從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)培養(yǎng)、訓(xùn)練相關(guān)能力：
（1）引趣質(zhì)疑法。比如，在“酶需要適宜的條件”教學(xué)中，酶的催化需要適宜的PH，有一個(gè)學(xué)生就說：我們的發(fā)質(zhì)各不相同，需要的洗發(fā)劑類型也不同，如何找到適合自己的洗發(fā)劑？學(xué)生各抒己見、大膽假設(shè)、查找資料，最后選定了適合自己的洗發(fā)劑的酸堿性。
（2）批判質(zhì)疑法。要求學(xué)生不要迷信教師，不迷信課本，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威。如在選修本中的“免疫缺陷病”教學(xué)中，有學(xué)生對(duì)HIV入侵T細(xì)胞導(dǎo)致患者喪失一切免疫功能有質(zhì)疑，通過讓學(xué)生充分地討論再加上教師的點(diǎn)撥，問題最終得到了解決。
（3）逆向思維。如在細(xì)胞膜的功能教學(xué)中，做這樣一個(gè)題目：“嬰兒從乳汁中吸收免疫球蛋白需要消耗能量，判斷其吸收的方式。”很多學(xué)生寫主動(dòng)運(yùn)輸，我就啟發(fā)學(xué)生：“抗體是如何排出的？” 學(xué)生很容易就想到外排，那么吸收是內(nèi)吞就很容易得出了。通過這樣的練習(xí)，讓學(xué)生明白立足自己掌握的知識(shí)，通過逆向思維問題就很容易解決。
（4）發(fā)散思維法。如結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的教學(xué)，設(shè)計(jì)下列擴(kuò)散性的討論：從生物學(xué)角度看，如何實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略？要求學(xué)生回答時(shí)不假思索一氣呵成：控制人口數(shù)量，提高人口素質(zhì)，合理利用動(dòng)植物資源，保護(hù)環(huán)境防治污染，通過生物工程尋求新能源、改良新品種，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工廠化……這些答案都不是現(xiàn)成的，都需要學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性思維。經(jīng)常性地進(jìn)行發(fā)散和列舉訓(xùn)練，學(xué)生的思維會(huì)越來越活躍和開闊，長此以往，學(xué)生對(duì)問題的敏感性會(huì)大大提高。
關(guān)鍵詞：生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)；可持續(xù)發(fā)展；法律問題
中圖分類號(hào)：D922.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003—0751（2013）09—0056—05
一、引言
現(xiàn)代生物技術(shù)的出現(xiàn)，翻開了技術(shù)革命的新篇章，其在農(nóng)業(yè)、海洋資源開發(fā)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，為人類生存和發(fā)展帶來了新的活力，如有助于提高農(nóng)作物產(chǎn)量、優(yōu)化動(dòng)植物品種、提供新的醫(yī)藥品種和醫(yī)療方法、加快有毒物質(zhì)降解和凈化環(huán)境等。生物技術(shù)革新及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已成為人類社會(huì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Γ龑?dǎo)并促進(jìn)生物技術(shù)革新及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展成為各國增強(qiáng)國際競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展伴隨著一系列風(fēng)險(xiǎn)，如現(xiàn)代生物技術(shù)使人類遺傳信息成為可以掌握的珍貴資料，但同時(shí)帶來這些信息資料被竊取、買賣、非法利用的風(fēng)險(xiǎn)，克隆人實(shí)驗(yàn)、基因武器實(shí)驗(yàn)、轉(zhuǎn)基因食品生產(chǎn)等都威脅到人類社會(huì)的健康、安全發(fā)展。法律作為社會(huì)生活的一面鏡子，反映著人類社會(huì)的復(fù)雜程度，同時(shí)，其作為一種重要的社會(huì)管理工具，引導(dǎo)和規(guī)范著人們的行為，促成良性社會(huì)生活秩序。如何既實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的最大化，又規(guī)范和引導(dǎo)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)健康、高效發(fā)展，防范和消除生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)和不良影響？目前，學(xué)界對(duì)這些問題的研究尚不夠全面、深入。鑒于此，筆者試對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展所涉法律問題進(jìn)行研究，以期為構(gòu)建我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)法律制度提供理論參考。
二、生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)及其法律需求
（一）生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的概念
目前，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)“生物技術(shù)”并無統(tǒng)一的定義。美國生物技術(shù)工業(yè)組織（BIO）將其界定為“利用細(xì)胞的和分子的處理加工去解決問題和制造產(chǎn)品，是相關(guān)技術(shù)的集成”；《生物多樣性公約》的定義是“以利用生物系統(tǒng)、活體生物或者其衍生物為特定用途而生產(chǎn)或改變產(chǎn)品或過程的任何技術(shù)應(yīng)用”；經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）的定義是“將科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用于生物有機(jī)體及其部分、產(chǎn)物和模型，以改變生物及非生物材料而創(chuàng)造知識(shí)、產(chǎn)品以及服務(wù)”，以此為前提，OECD還給出了生物技術(shù)內(nèi)容的補(bǔ)充界定。通過對(duì)以上定義的分析可以看出，這些定義對(duì)生物技術(shù)的內(nèi)涵總體上界定得比較寬泛、 抽象（只有OECD通過補(bǔ)充界定予以一定程度的明確），這反映了現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展尚面臨諸多不確定性因素。
國內(nèi)外對(duì)“生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)”的稱謂也不統(tǒng)一。如美國、英國和印度稱為“生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)”，日本學(xué)界多稱“生物產(chǎn)業(yè)”，我國有“現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)”、“生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)”、“生物產(chǎn)業(yè)”等稱謂。有學(xué)者認(rèn)為，生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化本來就是現(xiàn)代生物科學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，因而“現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)”的稱謂顯得啰嗦，而“生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)”這一稱謂過多地強(qiáng)調(diào)了產(chǎn)業(yè)的技術(shù)性特征或生物技術(shù)的應(yīng)用。受此影響，2004年國家發(fā)展和改革委員會(huì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)司與中國生物工程學(xué)會(huì)組織編寫的《中國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》中首次使用了“生物產(chǎn)業(yè)”的稱謂，并提出這一稱謂“有助于生物產(chǎn)業(yè)從科學(xué)家人群逐步進(jìn)入政府、企業(yè)、投資者等社會(huì)大眾的思維模式中”①。從2006年開始，該報(bào)告的名稱變更為《中國生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》。國家發(fā)展和改革委員會(huì)2007年出臺(tái)的《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》、國務(wù)院辦公廳2009年印發(fā)的《促進(jìn)生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策》、國務(wù)院2012年印發(fā)的《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》均采用了“生物產(chǎn)業(yè)”的用語?？梢娫谖覈?，“生物產(chǎn)業(yè)”與“生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)”并無本質(zhì)區(qū)別，都是指以現(xiàn)代生物技術(shù)為支撐、依托生物資源的各類產(chǎn)業(yè)。
（二）生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的特征
生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)不僅具備其他產(chǎn)業(yè)所共有的要素，如存在于商品經(jīng)濟(jì)社會(huì)、追求規(guī)模化生產(chǎn)和利潤最大化等，還以其獨(dú)有的特征而與其他產(chǎn)業(yè)相區(qū)別。第一，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)以現(xiàn)代生物技術(shù)為發(fā)展的原動(dòng)力。脫離了這一前提，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)便失去了作為一種產(chǎn)業(yè)得以存在和發(fā)展的根基。第二，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)體現(xiàn)了生物資源作為生產(chǎn)資料的不可替代性。無論是在技術(shù)研發(fā)還是產(chǎn)品生產(chǎn)階段，生物資源都是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基本原材料，生物資源的生物特性決定了其不可替代性。第三，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)滲透于各傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中。生物技術(shù)的應(yīng)用涉及藥品、保健品、食品的生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)、能源、海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域，使這些領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)面臨重大變革的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。第四，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)性大。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)以生物資源為基本原材料，生物資源的應(yīng)用范圍廣且潛藏危害人類健康和環(huán)境安全的風(fēng)險(xiǎn)，這種風(fēng)險(xiǎn)一旦轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)的損害，其后果將是不可逆的。第五，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)使傳統(tǒng)倫理觀面臨挑戰(zhàn)。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)通過技術(shù)手段革新使改變生命體成為可能，這種改變的結(jié)果必將對(duì)傳統(tǒng)生命倫理觀造成沖擊。基于以上特征，對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須進(jìn)行法律規(guī)制，既要鼓勵(lì)其技術(shù)創(chuàng)新、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值、提高人類生產(chǎn)生活水平，又要使其發(fā)展程度和方向符合社會(huì)需求，兼顧社會(huì)公共利益，保障生態(tài)安全，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。
（三）生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律需求
生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為一種新的經(jīng)濟(jì)形式，其出現(xiàn)與發(fā)展帶來了新的利益需求和利益主體，多種利益需求之間（如私人利益之間、私人利益與社會(huì)利益之間）難免會(huì)發(fā)生沖突，不同的利益主體在不斷地進(jìn)行博弈。這種沖突和博弈需要一種權(quán)威性的力量予以調(diào)控，以既平衡不同主體的利益需求，又實(shí)現(xiàn)社會(huì)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。在當(dāng)代社會(huì)，這種權(quán)威性的力量主要來自法律，法律創(chuàng)設(shè)一定的規(guī)則并通過內(nèi)在的公信力和外在的強(qiáng)制力敦促人們予以遵守。從這個(gè)角度看，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律需求不僅來自該產(chǎn)業(yè)本身，還源于社會(huì)以及作為公共權(quán)力代表的國家對(duì)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。
生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求國家至少提供兩個(gè)層面的法律制度：第一，基于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量而提供一般的法律制度。具體而言：在宏觀層面上，為了鼓勵(lì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展而采取財(cái)政、金融、稅收、土地使用等方面的支持性法律制度，同時(shí)為了保護(hù)消費(fèi)者權(quán)益、防止企業(yè)惡性競(jìng)爭(zhēng)而確立反壟斷、反不正當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)法律機(jī)制；在微觀層面上，提供激勵(lì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)營管理方面的法律制度，同時(shí)為了維護(hù)交易秩序、規(guī)范企業(yè)經(jīng)營行為而進(jìn)行相應(yīng)的物權(quán)法、知識(shí)產(chǎn)權(quán)法、合同法制度變革。第二，基于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的特性而提供特殊的法律制度。包括基于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)性特征而提供激勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新、確保技術(shù)成果轉(zhuǎn)化等保障性法律制度；基于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生物資源依賴性而提供對(duì)生物資源的獲取與交易進(jìn)行分類監(jiān)管的法律制度；基于生物技術(shù)的應(yīng)用范圍廣且關(guān)乎人類健康與環(huán)境安全、風(fēng)險(xiǎn)性極大而提出對(duì)具體的研究、開發(fā)、生產(chǎn)等行為進(jìn)行合理監(jiān)管的法律制度；基于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展將帶來倫理觀方面的挑戰(zhàn)而提供科學(xué)的倫理價(jià)值判斷和評(píng)價(jià)的法律制度。
目前，我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展程度較低，與我國生物技術(shù)科研水平和生物資源擁有情況不相匹配，其重要原因之一是我國當(dāng)前的法律制度未能因應(yīng)其需求。我國目前缺乏規(guī)范生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綜合性法律規(guī)范，現(xiàn)行法律文件中亦少有專門規(guī)范生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)容。立法的缺失使得我國關(guān)于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的行政管理效果不佳，相關(guān)監(jiān)管機(jī)構(gòu)權(quán)責(zé)不清晰、權(quán)力劃分不明且面臨監(jiān)管缺乏依據(jù)、監(jiān)管的邊界模糊等問題。
三、法律如何規(guī)制生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展
現(xiàn)代國家通過法律調(diào)整著社會(huì)的方方面面。盡管在不同領(lǐng)域的具體內(nèi)容不同，但法律對(duì)不同領(lǐng)域的調(diào)整方式基本相同，一般有兩個(gè)步驟：第一，明確不同情勢(shì)下法律所追求的價(jià)值，這是制度構(gòu)建與運(yùn)作的根基，也為進(jìn)一步明確法律規(guī)范的內(nèi)容指明方向。第二，確定法律規(guī)范的內(nèi)容，以明晰具體行為的可為與不可為的邊界，進(jìn)而形成一定的社會(huì)生活秩序。對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)而言，經(jīng)由“價(jià)值定位—法律規(guī)范”這一動(dòng)態(tài)過程而形成的法律秩序，能保障其良性、有序發(fā)展。
（一）生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律的價(jià)值定位
價(jià)值研究是所有法學(xué)研究的基礎(chǔ)。價(jià)值定位解決“為何要立法”和“法律應(yīng)當(dāng)規(guī)范什么”的問題，這是構(gòu)建法律制度的前提，也為法律原則和法律規(guī)范的制定與實(shí)施提供依據(jù)。明確法律的價(jià)值定位，對(duì)不同的法律價(jià)值追求之間進(jìn)行排序，是立法回應(yīng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展法律需求的第一步。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律規(guī)制既要立足我國作為最大發(fā)展中國家的基本國情，加大該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展力度，又要保護(hù)生態(tài)環(huán)境和生物資源，規(guī)范資源使用行為；既要推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)增長，又要保障公民的人身權(quán)和健康權(quán)，禁止違背倫理的實(shí)驗(yàn)，防止生物藥物、轉(zhuǎn)基因食品等被非法交易和濫用?！皟r(jià)值問題雖然是一個(gè)困難的問題，但它是法律科學(xué)所不能回避的。”②上述價(jià)值問題都是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)立法所必須面對(duì)的，對(duì)之進(jìn)行深入研究和理性分析，才能為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律的創(chuàng)設(shè)和實(shí)施提供價(jià)值層面的依據(jù)。
法的基本價(jià)值要素包括秩序、正義、自由、平等、安全、效率等，這是任何部門法（實(shí)體法或程序法）所共同具備的，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律也不應(yīng)例外。除此之外，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律還應(yīng)體現(xiàn)其特殊的價(jià)值要素如人權(quán)保障、可持續(xù)發(fā)展等。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律所追求的多層次價(jià)值目標(biāo)都有自己的內(nèi)涵和特性，在不同的情勢(shì)下，其必然發(fā)生沖突。例如，開展何種研究、開發(fā)何種產(chǎn)品是研究人員和企業(yè)的自由，而國家為了保護(hù)生物安全，必須制定相關(guān)法律制度來規(guī)范這些行為，由此可能產(chǎn)生自由與正義、安全、秩序、可持續(xù)發(fā)展等價(jià)值目標(biāo)之間的沖突。又如，現(xiàn)實(shí)中一些發(fā)達(dá)國家通過種種形式免費(fèi)利用發(fā)展中國家的基因資源進(jìn)行生物技術(shù)方面的研究，甚至對(duì)其研究成果申請(qǐng)專利，以享有獨(dú)占的、排他性的使用權(quán)，如此就侵犯了發(fā)展中國家的和生物資源受益權(quán)，帶來生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的效率與公平價(jià)值目標(biāo)之間的沖突。③
面對(duì)沖突，必須設(shè)立一定的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同的價(jià)值要素和利益保護(hù)進(jìn)行定位、排序，以使法律的創(chuàng)制和運(yùn)行有據(jù)可循。對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律而言，這種標(biāo)準(zhǔn)的確立可以有三種形式：第一，通過授權(quán)性法律規(guī)范來確認(rèn)和促進(jìn)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以保障技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)增長等價(jià)值目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。這里，“確認(rèn)”是指確定生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展主體的法律地位，明確其權(quán)利義務(wù)；“促進(jìn)”是指對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行法律制度設(shè)計(jì)和運(yùn)行機(jī)制安排，從法律層面為其創(chuàng)造良好的發(fā)展環(huán)境和條件。第二，通過禁止性法律規(guī)范來限制生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的不利因素，以保障社會(huì)可持續(xù)發(fā)展價(jià)值目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。這里，“限制”是指對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中可能產(chǎn)生不同結(jié)果的法律行為，由具體主體進(jìn)行分類監(jiān)管，以防范其可能帶來的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律應(yīng)立足于促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，因此，應(yīng)當(dāng)禁止不利于這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的行為，讓行為人承擔(dān)相應(yīng)的法律后果。第三，通過義務(wù)性法律規(guī)范及其他規(guī)范的共同引導(dǎo)來指引生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。義務(wù)性法律規(guī)范重在明確某一行為的“可為”與“不可為”的邊界及后果，為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)主體提供行為模式參考。通過上述法律規(guī)范的架構(gòu)和實(shí)施，可以促成生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域良好的發(fā)展秩序。
（二）國外生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度借鑒
美國、日本及一些歐洲國家的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展居世界前列。由于各國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式各異，其相應(yīng)的法律制度也有所差異。美國的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律涉及多個(gè)領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在資金支持、稅收優(yōu)惠、教育跟進(jìn)、產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展、促進(jìn)研究成果產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化利用等方面。美國多年來形成的比較穩(wěn)定的科技管理體制（立法、司法、行政三個(gè)系統(tǒng)不同程度地參與科技管理），保障了其生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度的有效實(shí)施。④日本在20世紀(jì)80年代就把生物技術(shù)列為未來著力發(fā)展的國家技術(shù)，并采取了一系列法律措施發(fā)展生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)，如日本1999年公布的《開創(chuàng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基本方針》中提出了“生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)立國”戰(zhàn)略，并于2002年頒布了《生物技術(shù)戰(zhàn)略大綱》；通過制定和完善關(guān)于技術(shù)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)（TLO）的法律，保護(hù)生物技術(shù)研究方的知識(shí)產(chǎn)權(quán)；制定“產(chǎn)官學(xué)”合作制度，進(jìn)行金融制度改革，保證了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化過程中的資金來源。⑤德國等歐洲國家生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開其環(huán)境保護(hù)法律和科研專利權(quán)、科研成果開發(fā)方面的法律和資金保障機(jī)制的支持。⑥
總體來看，發(fā)展中國家對(duì)發(fā)展生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)都非常重視，許多國家在立法上予以了高度重視和有力協(xié)調(diào)。如印度對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推行了一系列扶持性法律措施：第一，制定、完善了相關(guān)法律制度，包括促進(jìn)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綜合性法律制度，以及單列的專利技術(shù)保護(hù)、生物多樣性保護(hù)（尤其是傳統(tǒng)知識(shí)的法律保護(hù)）、技術(shù)研究及其商業(yè)性開發(fā)審批、人類基因的研究管理等制度。第二，建立了專門的機(jī)構(gòu)加強(qiáng)管理，如成立了全面負(fù)責(zé)和協(xié)調(diào)全國生物技術(shù)工作的國家生物技術(shù)委員會(huì)（1982年成立，1986年升格為國家生物技術(shù)部），成立了由科學(xué)家和管理專家組成的科學(xué)顧問委員會(huì)以及16個(gè)生物技術(shù)特別工作組，從中央到地方都設(shè)有針對(duì)生物資源管理的專門機(jī)構(gòu)。⑦第三，出臺(tái)了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的促進(jìn)措施，包括簡(jiǎn)化審批程序、取消對(duì)工廠生產(chǎn)能力的數(shù)量限制、鼓勵(lì)出口、自由進(jìn)口、免除關(guān)稅等措施。第四，加強(qiáng)對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資金支持，包括加大政府投資力度、改革風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)制、鼓勵(lì)對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)投資等。第五，開展有關(guān)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的教育，重視生物技術(shù)科研人才的培養(yǎng)和這方面的國際合作。⑧除印度外，一些發(fā)展中國家在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法制建設(shè)的某些領(lǐng)域也各有所長，如一些生物資源豐富的國家在生物資源的法律保護(hù)方面做得較好，值得其他國家予以借鑒。
任何一國的法律都有其賴以生長的土壤，如果脫離該國經(jīng)濟(jì)、政治與文化背景而僅將其法律規(guī)則進(jìn)行移植，那么“能真正從一個(gè)法域遷移到另一個(gè)法域的東西充其量不過是一堆毫無含義的語詞形式”⑨。在研究他國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)立法時(shí)，除了關(guān)注法律制度的內(nèi)容，還應(yīng)對(duì)作為法律制度實(shí)施載體的具體機(jī)制的設(shè)立與運(yùn)行進(jìn)行審視，考察法律制度與機(jī)制出臺(tái)的文化背景。我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度和機(jī)制的設(shè)計(jì)與完善，也應(yīng)放置于我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與法制建設(shè)狀況、傳統(tǒng)文化淵源等背景下進(jìn)行考慮，對(duì)國外的法治建設(shè)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)重點(diǎn)作立法技術(shù)和立法方法方面的借鑒。
四、我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度建構(gòu)
國家發(fā)展和改革委員會(huì)2007年編制的《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》，是我國第一次將生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一個(gè)戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行整體規(guī)劃和部署的法律性文件；2009年國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《促進(jìn)生物產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展的若干政策》，比較系統(tǒng)地提出了我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向、重點(diǎn)任務(wù)和政策措施。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要性和特殊性決定了我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律必須體系化和專門化，加強(qiáng)以下三個(gè)方面的法律制度建設(shè)已刻不容緩。
（一）明確生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律原則
生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律應(yīng)以其特有的原則作為制度構(gòu)建的基礎(chǔ)并貫穿制度建設(shè)始終。綜合我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律需求，我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律的基本原則應(yīng)包括三個(gè)方面：第一，鼓勵(lì)科技進(jìn)步原則。生物技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展是科技力量整合的結(jié)果，科技創(chuàng)新是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)持續(xù)進(jìn)步的基礎(chǔ)與動(dòng)力，沒有科技進(jìn)步，就沒有生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。第二，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化發(fā)展原則。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)以企業(yè)主導(dǎo)發(fā)展為基本模式，以經(jīng)濟(jì)增長為目標(biāo)，順應(yīng)市場(chǎng)規(guī)律；政府通過在宏觀層面上進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)布局、產(chǎn)業(yè)組織、產(chǎn)業(yè)政策等方面的合理安排來促進(jìn)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。第三，可持續(xù)發(fā)展原則。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不應(yīng)以犧牲長遠(yuǎn)利益為代價(jià)，無論是技術(shù)研發(fā)還是商品生產(chǎn)，都應(yīng)當(dāng)注重經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化、資源、環(huán)境等方面協(xié)調(diào)發(fā)展。
（二）構(gòu)建生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律體系
法律體系是指一國現(xiàn)行的全部法律規(guī)范按照不同的法律部門分類組合而形成的一個(gè)呈體系化的有機(jī)聯(lián)系的統(tǒng)一整體⑩。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律體系是國家法律體系的一個(gè)子系統(tǒng)，由旨在促進(jìn)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、防范相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和損害發(fā)生的法律規(guī)范構(gòu)成，包括保障生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綜合性法律文件，以及各部門法中調(diào)整生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律關(guān)系、規(guī)范生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展行為的法律原則和具體制度。我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律體系的構(gòu)建，應(yīng)以我國現(xiàn)有法律體系為基礎(chǔ)，結(jié)合我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及其未來需求，審視我國現(xiàn)行法律制度的不足并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充和完善，建立起系統(tǒng)、協(xié)調(diào)的規(guī)制生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律原則、規(guī)則和制度體系。具體而言，我國應(yīng)以“趨利”和“避害”兩條主線來進(jìn)行生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度構(gòu)建：第一，構(gòu)建引導(dǎo)和支持生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的法律制度，包括知識(shí)產(chǎn)權(quán)保障制度、公平競(jìng)爭(zhēng)保障制度、財(cái)稅保障制度、特殊企業(yè)經(jīng)營管理制度、投資制度、生物技術(shù)轉(zhuǎn)移及生物技術(shù)產(chǎn)品交易制度等。第二，構(gòu)建預(yù)防和應(yīng)對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的風(fēng)險(xiǎn)的法律制度，包括基本人權(quán)保障制度、生物安全制度、環(huán)境保護(hù)制度等。上述制度交融于不同的法律部門中，單獨(dú)或交叉規(guī)范著生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律關(guān)系。在不同的生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域（如醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域），還可以專門規(guī)定予以特殊適用的具體制度。
（三）完善生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的監(jiān)管機(jī)制
在生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，有無具體的監(jiān)管主體、能否依法監(jiān)管十分重要。美國對(duì)食品生物工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展有一套相互配合的法律制度進(jìn)行規(guī)制，該產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域每一種產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售都受到一個(gè)主導(dǎo)機(jī)構(gòu)和多個(gè)相關(guān)機(jī)構(gòu)的共同管理，這些機(jī)構(gòu)依據(jù)法律授權(quán)履行著健康和安全保障的義務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)消除因法律實(shí)施不到位而產(chǎn)生的危害。監(jiān)管機(jī)制作為實(shí)施生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律的配套措施，其完善在一定程度上影響到法律制度的實(shí)效。監(jiān)管機(jī)制的完善可以從三個(gè)方面進(jìn)行：第一，明確具體的監(jiān)管主體，防止發(fā)生無人監(jiān)管或多個(gè)監(jiān)管主體相互推諉致使監(jiān)管缺失的現(xiàn)象。第二，建立清晰、暢通的監(jiān)管系統(tǒng)，如此既便于監(jiān)管主體行使監(jiān)管權(quán)，也便于對(duì)監(jiān)管行為進(jìn)行監(jiān)督和管理。第三，嚴(yán)格監(jiān)管責(zé)任，以有效避免監(jiān)管不力的現(xiàn)象發(fā)生。
五、結(jié)語
法律從無到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，與人類社會(huì)發(fā)展相互影響。進(jìn)入生物經(jīng)濟(jì)時(shí)代，已有的法律面對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的客觀現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)出種種不適應(yīng)性，這些不適應(yīng)性可統(tǒng)稱為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展法律問題。這些問題是復(fù)雜的、多元的，其中蘊(yùn)含著深層次的新興價(jià)值觀念與傳統(tǒng)價(jià)值理念之間的沖突，也體現(xiàn)出現(xiàn)有法律調(diào)整范圍狹窄、無法規(guī)范新的社會(huì)行為的弊端，凸顯法律規(guī)范的內(nèi)容與實(shí)施機(jī)制不配套而產(chǎn)生的法律尷尬。這些問題產(chǎn)生于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，其解決之道亦深藏于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的大環(huán)境中。我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化、法制建設(shè)現(xiàn)狀及其未來走勢(shì)是建構(gòu)我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度的起點(diǎn)和終點(diǎn)，同時(shí)，我國應(yīng)對(duì)其他國家在發(fā)展生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)過程中提出的先進(jìn)的法律理念和制度進(jìn)行分析、借鑒。當(dāng)前，基礎(chǔ)理論研究是我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度創(chuàng)制工作的重中之重。只有對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的價(jià)值定位、不同價(jià)值目標(biāo)之間的排序等進(jìn)行分析、論證，才能推動(dòng)我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法制建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展。同時(shí)，我國應(yīng)注重生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度與機(jī)制的整體性構(gòu)建。當(dāng)前，我國社會(huì)主義法律體系已經(jīng)形成，但并不完善，在此前提下，對(duì)我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)法律制度進(jìn)行整體性構(gòu)建的任務(wù)并不輕松。新的制度安排要立足于現(xiàn)有基礎(chǔ)，注重對(duì)現(xiàn)有制度和機(jī)制進(jìn)行完善，并使新舊制度、機(jī)制之間有機(jī)銜接，形成統(tǒng)一整體，發(fā)揮制度建設(shè)的整體功效。
一．什么是基因芯片
生物芯片，簡(jiǎn)單地說就是在一塊指甲大?。?cm3）的有多聚賴氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等，但需經(jīng)特殊處理。作原位合成的支持物在聚合反應(yīng)前要先使其表面衍生出羥基或氨基（視所要固定的分子為核酸或寡肽而定）并與保護(hù)基建立共價(jià)連接；作點(diǎn)樣用的支持物為使其表面帶上正電荷以吸附帶負(fù)電荷的探針分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚賴氨酸等）將生物分子探針（寡核苷酸片段或基因片段）以大規(guī)模陣列的形式排布，形成可與目的分子（如基因）相互作用，交行反應(yīng)的固相表面，在激光的順序激發(fā)下標(biāo)記熒光根據(jù)實(shí)際反應(yīng)情況分別呈現(xiàn)不同的熒光發(fā)射譜征，ccd相機(jī)或激光共聚焦顯微鏡根據(jù)其波長及波幅特征收集信號(hào)，作出比較和檢測(cè)，從而迅速得出所要的信息。生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、組織芯片。而基因芯片中，最成功的是dna芯片，即將無數(shù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的寡核苷酸或cdna在芯片上做成點(diǎn)陣，與樣品中同源核酸分子雜交[3]的芯片。
基因芯片的基本原理同芯片技術(shù)中雜交測(cè)序（sequencing by hybridization, sbh）。即任何線狀的單鏈dna或rna序列均可被分解為一個(gè)序列固定、錯(cuò)落而重疊的寡核苷酸，又稱亞序列（subsequence）。例如可把寡核苷酸序列ttagctcatatg分解成5個(gè)8 nt亞序列：
(1)
ctcatatg
(2)
gctcatat
(3)
agctcata
(4)
tagctcat
(5)
ttagctca
這5個(gè)亞序列依次錯(cuò)開一個(gè)堿基而重疊7個(gè)堿基。亞序列中a、t、c、g 4個(gè)堿基自由組合而形成的所有可能的序列共有65536種。假如只考慮完全互補(bǔ)的雜交，那么48個(gè)8 nt亞序列探針中，僅有上述5個(gè)能同靶dna雜交?？梢杂萌斯ず铣傻囊阎蛄械乃锌赡艿膎體寡核苷酸探針與一個(gè)未知的熒光標(biāo)記dna/rna序列雜交，通過對(duì)雜交熒光信號(hào)檢測(cè)，檢出所有能與靶dna雜交的寡核苷酸，從而推出靶dna中的所有8 nt亞序列，最后由計(jì)算機(jī)對(duì)大量熒光信號(hào)的譜型（pattern）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重構(gòu)靶dna 的互補(bǔ)寡核苷酸序列。
一般基因芯片按其材質(zhì)和功能，基本可分為以下幾類[4]
(一)元件型微陣列芯片
1.生物電子芯片
2.凝膠元件微陣列芯片
3.藥物控釋芯片
(二) 通道型微陣列芯片
1.毛細(xì)管電泳芯片
2 .pcr擴(kuò)增芯片
3.集成dna分析芯片
4.毛細(xì)管電層析芯片
(三)生物傳感芯片
1光學(xué)纖維陣列芯片
2白光干涉譜傳感芯片
小鼠基因表達(dá)譜芯片(mgec)
附:目前國內(nèi)基因芯片常見品種.(上海博星公司)
三 基因芯片的制備
芯片種類較多，制備方法也不盡相同，常見的芯片可分為兩大類：一類是原位合成；一種是直接點(diǎn)樣。原位合成適用于寡核苷酸；直接點(diǎn)樣多用于大片段dna，有時(shí)也用于寡核苷酸，甚至mrna。原位合成有兩種途徑。一是光蝕刻法；一是噴印法。光蝕刻法可以合成30nt左右，噴印法可以合成40-50nt，光蝕刻法每步縮合率較低，一般為95%左右，合成30nt產(chǎn)率僅20%；噴印法可達(dá)99%以上，合成30nt產(chǎn)率可達(dá)74%，從這個(gè)意義上說噴印法特異性應(yīng)比光刻法高。此外，噴印法不需特殊的合成試劑。與原位合成法比較點(diǎn)樣法較簡(jiǎn)單，只需將預(yù)先制備好的寡核苷酸或cdna等樣品通過自動(dòng)點(diǎn)樣裝置點(diǎn)于經(jīng)特殊處理的玻璃片或其它材料上即可。
1、原位光蝕刻合成[5-7] 寡聚核苷酸原位光蝕刻合成技術(shù)是由affymetrix公司開發(fā)的，采用的技術(shù)原理是在合成堿基單體的5'羥基末端連上一個(gè)光敏保護(hù)基。合成的第一步是利用光照射使羥基端脫保護(hù)，然后一個(gè)5'端保護(hù)的核苷酸單體連接上去，這個(gè)過程反復(fù)進(jìn)行直至合成完畢。使用多種掩蓋物能以更少的合成步驟生產(chǎn)出高密度的陣列，在合成循環(huán)中探針數(shù)目呈指數(shù)增長。某一含n個(gè)核苷酸的寡聚核苷酸，通過4×n個(gè)化學(xué)步驟能合成出4n個(gè)可能結(jié)構(gòu)。例如：一個(gè)完整的十核苷酸通過32個(gè)化學(xué)步驟，8個(gè)小時(shí)可能合成65,536個(gè)探針。
目前美國affymetrix公司已有同時(shí)檢測(cè)6,500個(gè)已知人類基因的dna芯片，并且正在制備含500,000-1,000,000個(gè)寡核苷酸探針的人類基因檢測(cè)芯片。該公司每月投入基因芯片研究的經(jīng)費(fèi)約100萬美元，目前產(chǎn)品尚未公開投放市場(chǎng)發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，但已有許多公司及研究機(jī)構(gòu)與其簽約購買其產(chǎn)品。該產(chǎn)品不僅可用于基因表達(dá)分析和基因診斷等，而且在大規(guī)模藥物開發(fā)方面也具有誘人的前景。affymetrix的大部分產(chǎn)品將在98年底全面投放市場(chǎng)。屆時(shí)，在其產(chǎn)品被廣泛采用的同時(shí)，其所有的研究投入將變成巨大的利潤。其它公司產(chǎn)品也正在從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研究走向開發(fā)應(yīng)用。目前，用于分子診斷的dna芯片不僅已可用于檢測(cè)愛滋病病毒基因還可用于囊性纖維化（cf）、乳腺癌、卵巢癌等疾病相關(guān)基因的基因診斷。鑒于光刻設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，只能有專業(yè)化公司生產(chǎn)，加之成本高及合成效率不高的問題，因此有待進(jìn)行以下研究：⑴對(duì)光刻技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提高合成效率；⑵開發(fā)新的原位合成技術(shù)，如噴印合成技術(shù)，該技術(shù)既能進(jìn)行原位合成又能進(jìn)行非原位合成。
另一方法是光導(dǎo)原位合成法。具體方法是在經(jīng)過處理的載玻片表面鋪上一層連接分子（linker），其羥基上加有光敏保護(hù)基團(tuán)，可用光照除去，用特制的光刻掩膜（photolithographic mask）保護(hù)不需要合成的部位，而暴露合成部位，在光作用下去除羥基上的保護(hù)基團(tuán)，游離羥基，利用化學(xué)反應(yīng)加上第一個(gè)核苷酸，所加核苷酸種類及在芯片上的部位預(yù)先設(shè)定，所引入的核苷酸帶有光敏保護(hù)基團(tuán)，以便下一步合成。然后按上述方法在其它位點(diǎn)加上另外三種核苷酸完成第一位核苷酸的合成，因而n個(gè)核苷酸長的芯片需要4n個(gè)步驟。每一個(gè)獨(dú)特序列的探針稱為一個(gè)“feature”，這樣的芯片便具有4n個(gè)“feature”，包含了全部長度為n的核苷酸序列。這種原位直接合成的方法無須制備處理克隆和pcr產(chǎn)物，但是每輪反應(yīng)所需設(shè)計(jì)的光柵則是主要的經(jīng)費(fèi)消耗。運(yùn)用這種方法制作的芯片密度可高達(dá)106探針/平方厘米，即探針間隔為 5－10μm，但只能制作ii型 dna芯片。見圖一。
2 原位噴印合成 芯片原位噴印合成原理與噴墨打印類似，不過芯片噴印頭和墨盒有多個(gè)，墨盒中裝的是四種堿基等液體而不是碳粉。噴印頭可在整個(gè)芯片上移動(dòng)并根據(jù)芯片上不同位點(diǎn)探針的序列需要將特定的堿基噴印在芯片上特定位置。該技術(shù)采用的化學(xué)原理與傳統(tǒng)的dna固相合成一致，因此不特殊制備的化學(xué)試劑。
3 點(diǎn)樣法 點(diǎn)樣法是將合成好的探針、cnda或基因組dna通過特定的高速點(diǎn)樣機(jī)器人直接點(diǎn)在芯片上。點(diǎn)樣分子可以是核酸也可以是寡核酸。一些研究者采用人工點(diǎn)樣的方法將寡核苷酸分子點(diǎn)樣于化學(xué)處理后的載玻片上，經(jīng)一定的化學(xué)方法處理非干燥后，寡核苷酸分子即固定于載玻片上，制備好的dna芯片可置于緩沖液中保存。由于方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適于大規(guī)模dna芯片制作，因而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化點(diǎn)樣就顯得尤為重要。有的研究者用多聚賴氨酸包被固相支待物玻片，經(jīng)過分區(qū)后用計(jì)算機(jī)控制的微陣列點(diǎn)樣機(jī)按照預(yù)先設(shè)計(jì)順序點(diǎn)上核酸分子，點(diǎn)樣量很小，約為5nl。大規(guī)模cdna芯片多采用這種方法，與其寡核苷酸微芯片相比。dna芯片的潛在優(yōu)越性是具有更強(qiáng)的親和勢(shì)和特異性雜交，但是需要大量制備，純化，量化，分類pcr產(chǎn)物。有的研究者將玻片上覆蓋20μm厚薄層聚丙烯酰胺凝膠作為支持物，采用機(jī)械刻寫或光刻的方法在其表面劃上網(wǎng)格，并用激光照射蒸發(fā)掉單元間隙的多余凝膠，以實(shí)現(xiàn)dna芯片分區(qū)，單元大小為 40×40μm或 100×100μm間隔分別為50μm和100μm。然后將化學(xué)方法合成的寡核苷酸探針自動(dòng)化點(diǎn)樣于各個(gè)單元內(nèi)而制成dna芯片，點(diǎn)樣速度可達(dá)2000單元/秒。
其裝置采用的機(jī)器人有一套計(jì)算機(jī)控制三維移動(dòng)裝置、多個(gè)打印/噴印針的打印/噴印頭；一個(gè)減震底座，上面可放內(nèi)盛探針的多孔板和多個(gè)芯片。根據(jù)需要還可以有溫度和濕度控制裝置、針洗滌裝置。打印/噴印針將探針從多孔板取出直接打印或噴印于芯片上。直接打印時(shí)針頭與芯片接觸，而在噴印時(shí)針頭與芯片保持一定距離。打印法的優(yōu)點(diǎn)是探針密度高，通常1平方厘米可打印2,500個(gè)探針。缺點(diǎn)是定量準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性不好，打印針易堵塞且使用壽命有限。噴印法的優(yōu)點(diǎn)是定量準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，使用壽命長。缺點(diǎn)是噴印的斑點(diǎn)大，因此探針密度低，通常1平方厘米只有400點(diǎn)。國外有多家實(shí)驗(yàn)室和公司研究開發(fā)打印/噴印設(shè)備，目前有一些已經(jīng)商品化。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院和益生堂生物企業(yè)公司目前正在聯(lián)手利用打印/噴印技術(shù)進(jìn)行生物芯片的研究和開發(fā)，預(yù)計(jì)2年內(nèi)將有用于實(shí)驗(yàn)室研究或臨床診斷的基因芯片產(chǎn)品問世。見圖二。
4 電子芯片[8-10] 電子芯片是由美國nanogen公司開發(fā)的，目前國內(nèi)清華大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)也在開發(fā)這一技術(shù)。這種芯片為帶有陽電荷的硅芯片、芯片經(jīng)熱氧化，制成1mm×1mm的陣列、每個(gè)陣列含多個(gè)微電極，在每個(gè)電極上通過氧化硅沉積和蝕刻制備出樣品池。將連接鏈親和素的瓊脂糖覆蓋在電極上，在電場(chǎng)作用下生物素標(biāo)記的探針即可結(jié)合在特定電極上。電子芯片最大特點(diǎn)是雜交速度快，可大大縮短分析時(shí)間。制備復(fù)雜、成本高是其不足。
5 三維芯片[11-12] 三維芯片是由美國的packard、摩托羅拉、argonne國家實(shí)驗(yàn)室三家機(jī)構(gòu)與俄羅斯engelhardt分子生物學(xué)研究所合作開發(fā)的一種芯片技術(shù)。三維生物芯片實(shí)質(zhì)上是一塊顯微鏡載玻片，其上有10,000個(gè)微小聚乙烯酰胺凝膠條，每個(gè)凝膠條可用于靶dna，rna和蛋白質(zhì)的分析。先把乙知化合物加在凝膠條上，再用3cm長的微型玻璃毛細(xì)管將待測(cè)樣品加到凝膠條上。每個(gè)毛細(xì)管能把小到0.2nl的體積打到凝膠上。以上幾家機(jī)構(gòu)合作研究的生物芯片系統(tǒng)具有其它生物芯片系統(tǒng)不具有的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一是凝膠的三維化能加進(jìn)更多的已知物質(zhì)，增加了敏感性。二是可以在芯片上同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)增與檢則。一般情況下，必須在微量多孔板上先進(jìn)行pcr擴(kuò)增，再把樣品加到芯片上，因此需要進(jìn)行許多額外操作。本芯片所用凝膠體積很小。使pcr擴(kuò)增體系的體積減小1,000倍（總體積約納升級(jí)），從而節(jié)約了每個(gè)反應(yīng)所用的pcr酶（約減少100倍）。三是以三維構(gòu)象形式存在的蛋白和基因材料可以其天然狀態(tài)在凝膠條上分析，可以進(jìn)行免疫測(cè)定，受體-配體研究和蛋白組分析。
6 流過式芯片（flow-thru chip）[13] cene logic正在開發(fā)一種在芯片片基上制成格柵狀微通道，cene logic設(shè)計(jì)及合成特定的寡核苷酸探針，結(jié)合于微通道內(nèi)芯片的特定區(qū)域。從待測(cè)樣品中分離dna或rna并對(duì)其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后，該樣品流過芯片，固定的寡核苷酸探針捕獲與之相互補(bǔ)的核酸，采用cene logic's信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)分析結(jié)果。流通式芯片用于高通量分析已知基因的變化，其特定在于⑴敏感性高：由于寡核苷酸吸附表面的增大，流過式芯片可監(jiān)測(cè)稀有基因表達(dá)的變化；⑵速度快：微通道加速了雜交反應(yīng)，減少了每次檢測(cè)所需時(shí)間；⑶價(jià)格降低：由于采用了特殊的共價(jià)化學(xué)技術(shù)將寡核苷酸吸附于微通道內(nèi)，使每一種流過芯片可反復(fù)使用多次，從而使其成本降低。
四．基因芯片樣品制備
一般說來應(yīng)用dna芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)包括5個(gè)過程：生物學(xué)問題的提出和芯片設(shè)計(jì)；樣品制備；生物雜交反應(yīng)；結(jié)果探測(cè)；數(shù)據(jù)處理和建模。
1．樣品制備。一般所需mrna的量是以一張表達(dá)譜芯片需要3μg mrna計(jì)算的
考慮到個(gè)體差異以及樣品在研磨、勻漿等過程中的損失，客戶提供的樣品量應(yīng)在上述基礎(chǔ)上增加1-2倍。
2 樣本采集過程關(guān)鍵點(diǎn)．
組織標(biāo)本采集操作建議規(guī)程,(取標(biāo)本所需關(guān)鍵器材和處理要求 )
注：
· 以下步驟1 － 5應(yīng)在冰上進(jìn)行且不超過15分鐘，超過時(shí)間會(huì)導(dǎo)致樣品的rna降解。
· 對(duì)腫瘤組織的取材，要求盡可能準(zhǔn)確地判定腫瘤和正常組織，例如對(duì)于手術(shù)切除的整個(gè)或部分前列腺，可能要根據(jù)冰凍切片報(bào)告的結(jié)果來判定要進(jìn)行研究的取材部位。
1 離體新鮮組織，切成多個(gè)1cm3小塊，剔除結(jié)締組織和脂肪組織。胃、腸組織應(yīng)剪除外膜；肝、腎、脾應(yīng)剪除門部血管神經(jīng)，腫瘤組織應(yīng)將周圍的正常組織切除干凈（正常組織也應(yīng)將周圍的腫瘤組織切除干凈）。
2 在rnase-free 0.9％生理鹽水中漂洗樣品，以去除血漬和污物。
3 用鋁箔包裹組織，或用5ml凍存管裝載組織(但最好統(tǒng)一采用鋁箔)。用記號(hào)筆在鋁箔或凍存管外表寫明樣品編號(hào)，并貼上標(biāo)簽，迅速投入液氮冷卻。
4 填寫樣品登記表，寫明樣品名稱、種類、編號(hào)、取樣日期、樣品處理情況等
將液氮冷卻的組織放入樣品袋（每個(gè)樣品袋只保存同樣的組織），袋口留一根編號(hào)繩，繩上粘一張標(biāo)簽紙（標(biāo)簽上注明：樣品名稱、編號(hào)、日期），迅速轉(zhuǎn)入便攜式液氮罐
5 保留1-2張取材部位的病理切片。
五.生物芯片雜交
待分析基因在與芯片結(jié)合探針雜交之前必需進(jìn)行分離、擴(kuò)增及標(biāo)記。根據(jù)樣品來源、基因含量及檢測(cè)方法和分析目的不同，采用的基因分離、擴(kuò)增及標(biāo)記方法各異。當(dāng)然，常規(guī)的基因分離、擴(kuò)增及標(biāo)記技術(shù)完全可以采用，但操作繁瑣且費(fèi)時(shí)。高度集成的微型樣品處理系統(tǒng)如細(xì)胞分離芯片及基因擴(kuò)增芯片等是實(shí)現(xiàn)上述目的的有效手段和發(fā)展方向。為了獲得基因的雜交信號(hào)必須對(duì)目的基因進(jìn)行標(biāo)記，目前采用的最普遍的熒光標(biāo)記方法與傳統(tǒng)方法如體外轉(zhuǎn)錄、pcr、逆轉(zhuǎn)錄等原理上并無多大差異，只是采用的熒光素種類更多，這可以滿足不同來源樣品的平行分析。用計(jì)算機(jī)控制的高分辨熒光掃描儀可獲得結(jié)合于芯片上目的基因的熒光信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)處理即可給出目的基因的結(jié)構(gòu)或表達(dá)信息。
雜交條件的選擇與研究目的有關(guān)，多態(tài)性分析或者基因測(cè)序時(shí)，每個(gè)核苷酸或突變位點(diǎn)都必須檢測(cè)出來。通常設(shè)計(jì)出一套四種寡聚核苷酸，在靶序列上跨越每個(gè)位點(diǎn)，只在中央位點(diǎn)堿基有所不同，根據(jù)每套探針在某一特點(diǎn)位點(diǎn)的雜交嚴(yán)謹(jǐn)程度，即可測(cè)定出該堿基的種類。如果芯片僅用于檢測(cè)基因表達(dá)，只需設(shè)計(jì)出針對(duì)基因中的特定區(qū)域的幾套寡聚核苷酸即可。表達(dá)檢測(cè)需要長的雜交時(shí)間，更高的嚴(yán)謹(jǐn)性，更高的樣品濃度和低溫度，這有利于增加檢測(cè)的特異性和低拷貝基因檢測(cè)的靈敏度。突變檢測(cè)，要鑒別出單堿基錯(cuò)配，需要更高的雜交嚴(yán)謹(jǐn)性和更短的時(shí)間。
此外，雜交反應(yīng)還必須考慮雜交反應(yīng)體系中鹽濃度、探針gc含量和所帶電荷、探針與芯片之間連接臂的長度及種類、檢測(cè)基因的二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。有資料顯示探針和芯片之間適當(dāng)長度的連接臂可使雜交效率提高150倍[9]。連接臂上任何正或負(fù)電荷都將減少雜交效率。由于探針和檢測(cè)基因均帶負(fù)電荷，因此影響他們之間的雜交結(jié)合，為此有人提出用不帶電荷的肽核酸（pna）做探針[9]。雖然pna的制備比較復(fù)雜，但與dna探針比較有許多特點(diǎn)，如不需要鹽離子，因此可防止檢測(cè)基因二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成及自身復(fù)性。由于pna-dna結(jié)合更加穩(wěn)定和特異，因此更有利于單堿基錯(cuò)配基因的檢測(cè)。
六 基因芯片檢測(cè)原理
雜交信號(hào)的檢測(cè)是dna芯片技術(shù)中的重要組成部分。以往的研究中已形成許多種探測(cè)分子雜交的方法，如熒光顯微鏡、隱逝波傳感器、光散射表面共振、電化傳感器、化學(xué)發(fā)光、熒光各向異性等等，但并非每種方法都適用于dna芯片。由于dna芯片本身的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，需要確定雜交信號(hào)在芯片上的位置，尤其是大規(guī)模dna芯片由于其面積小，密度大，點(diǎn)樣量很少，所以雜交信號(hào)較弱，需要使用光電倍增管或冷卻的電荷偶連照相機(jī)(charged-coupled device camera，ccd)攝像機(jī)等弱光信號(hào)探測(cè)裝置。此外，大多數(shù)dna芯片雜交信號(hào)譜型除了分布位點(diǎn)以外還需要確定每一點(diǎn)上的信號(hào)強(qiáng)度，以確定是完全雜交還是不完全雜交，因而探測(cè)方法的靈敏度及線性響應(yīng)也是非常重要的。雜交信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)主要包括雜交信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)收集及傳輸和信號(hào)處理及成像三個(gè)部分組成。
由于所使用的標(biāo)記物不同，因而相應(yīng)的探測(cè)方法也各具特色。大多數(shù)研究者使用熒光標(biāo)記物，也有一些研究者使用生物素標(biāo)記，聯(lián)合抗生物素結(jié)合物檢測(cè)dna化學(xué)發(fā)光。通過檢測(cè)標(biāo)記信號(hào)來確定dna芯片雜交譜型。
1．熒光標(biāo)記雜交信號(hào)的檢測(cè)方法
使用熒光標(biāo)記物的研究者最多，因而相應(yīng)的探測(cè)方法也就最多、最成熟。由于熒光顯微鏡可以選擇性地激發(fā)和探測(cè)樣品中的混合熒光標(biāo)記物，并具有很好的空間分辨率和熱分辨率，特別是當(dāng)熒光顯微鏡中使用了共焦激光掃描時(shí)，分辨能力在實(shí)際應(yīng)用中可接近由數(shù)值孔徑和光波長決定的空間分辨率，而在傳統(tǒng)的顯微鏡是很難做到的，這便為dna芯片進(jìn)一步微型化提供了重要的檢測(cè)方法的基礎(chǔ)。大多數(shù)方法都是在人射照明式熒光顯微鏡（epifluoescence microscope）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，包括激光掃描熒光顯微鏡、激光共焦掃描顯微鏡、使用了ccd相機(jī)的改進(jìn)的熒光顯微鏡以及將dna芯片直接制作在光纖維束切面上并結(jié)合熒光顯微鏡的光纖傳感器微陣列。這些方法基本上都是將待雜交對(duì)象 以熒光物質(zhì)標(biāo)記，如熒光素或麗絲膠（lissamine）等，雜交后經(jīng)過ssc和sds的混合溶液或sspe等緩沖液清洗。
（1）激光掃描熒光顯微鏡
探測(cè)裝置比較典型。方法是將雜交后的芯片經(jīng)處理后固定在計(jì)算機(jī)控制的二維傳動(dòng)平臺(tái)上，并將一物鏡置于其上方，由氬離子激光器產(chǎn)生激發(fā)光經(jīng)濾波后通過物鏡聚焦到芯片表面，激發(fā)熒光標(biāo)記物產(chǎn)生熒光，光斑半徑約為5－10μm。同時(shí)通過同一物鏡收集熒光信號(hào)經(jīng)另一濾波片濾波后，由冷卻的光電倍增管探測(cè)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過計(jì)算機(jī)控制傳動(dòng)平臺(tái)x－y方向上步進(jìn)平移，dna芯片被逐點(diǎn)照射，所采集熒光信號(hào)構(gòu)成雜交信號(hào)譜型，送計(jì)算機(jī)分析處理，最后形成20μm象素的圖像。這種方法分辨率高、圖像質(zhì)量較好，適用于各種主要類型的dna芯片及大規(guī)模dna芯片雜交信號(hào)檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于基因表達(dá)、基因診斷等方面研究。
(2)激光掃描共焦顯微鏡
激光掃描共焦顯微鏡與激光掃描熒光顯微鏡結(jié)構(gòu)非常相似，但是由于采用了共焦技術(shù)因而更具優(yōu)越性。這種方法可以在熒光標(biāo)記分子與dna芯片雜交的同時(shí)進(jìn)行雜交信號(hào)的探測(cè)，而無須清洗掉未雜交分子，從而簡(jiǎn)化了操作步驟大大提高了工作效率。affymetrix公司的s．p．a(chǎn)．forder等人設(shè)計(jì)的dna芯片即利用此方法。其方法是將靶 dna分子溶液放在樣品地中，芯片上合成寡核苷酸陣列的一面向下，與樣品池溶液直接接觸，并與dna樣品雜交。當(dāng)用激發(fā)光照射使熒光標(biāo)記物產(chǎn)生熒光時(shí)，既有芯片上雜交的dna樣品所發(fā)出的熒光，也有樣品地中dna所發(fā)出的熒光，如何將兩者分離開來是一個(gè)非常重要的問題。而共焦顯微鏡具有非常好的縱向分辨率，可以在接受芯片表面熒光信號(hào)的同時(shí)，避開樣品池中熒光信號(hào)的影響。一般采用氬離子激光器（488nm）作為激發(fā)光源，經(jīng)物鏡聚焦，從芯片背面入射，聚集于芯片與靶分子溶液接觸面。雜交分子所發(fā)的熒光再經(jīng)同一物鏡收集，并經(jīng)濾波片濾波，被冷卻的光電倍增管在光子計(jì)數(shù)的模式下接收。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換反轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送微機(jī)處理，成像分析。在光電信增管前放置一共焦小孔，用于阻擋大部分激發(fā)光焦平面以外的來自樣品池的未雜交分子熒光信號(hào)，避免其對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。激光器前也放置一個(gè)小孔光闌以盡量縮小聚焦點(diǎn)處光斑半徑，使之能夠只照射在單個(gè)探針上。通過計(jì)算機(jī)控制激光束或樣品池的移動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的二維掃描，移動(dòng)步長與芯片上寡核苷酸的間距匹配，在幾分鐘至幾十分鐘內(nèi)即可獲得熒光標(biāo)記雜交信號(hào)圖譜。其特點(diǎn)是靈敏度和分辨率較高，掃描時(shí)間長，比較適合研究用?，F(xiàn)在 affymetrix公司已推出商業(yè)化樣機(jī)，整套系統(tǒng)約 12萬美元。
（3）采用了ccd相機(jī)的熒光顯微鏡
這種探測(cè)裝置與以上的掃描方法都是基于熒光顯微鏡，但是以ccd相機(jī)作為信號(hào)接收器而不是光電倍增管，因而無須掃描傳動(dòng)平臺(tái)。由于不是逐點(diǎn)激發(fā)探測(cè)，因而激發(fā)光照射光場(chǎng)為整個(gè)芯片區(qū)域，由ccd相機(jī)獲得整個(gè)dna芯片的雜交譜型。這種方法一般不采用激光器作為激發(fā)光源，由于激光束光強(qiáng)的高斯分布，會(huì)使得光場(chǎng)光強(qiáng)度分布不均，而熒光信號(hào)的強(qiáng)度與激發(fā)光的強(qiáng)度密切相關(guān)，因而不利于信號(hào)采集的線性響應(yīng)。為保證激發(fā)光勻場(chǎng)照射，有的學(xué)者使用高壓汞燈經(jīng)濾波片濾波，通過傳統(tǒng)的光學(xué)物鏡將激發(fā)光投射到芯片上，照明面積可通過更換物鏡來調(diào)整；也有的研究者使用大功率弧形探照燈作為光源，使用光纖維束與透鏡結(jié)合傳輸激發(fā)光，并與芯片表面呈50o角入射。由于采用了ccd相機(jī)，因而大大提高了獲取熒光圖像的速度，曝光時(shí)間可縮短至零點(diǎn)幾秒至十幾秒。其特點(diǎn)是掃描時(shí)間短，靈敏度和分辨率較低，比較適合臨床診斷用[14].
（4）光纖傳感器
有的研究者將 dna芯片直接做在光纖維束的切面上（遠(yuǎn)端），光纖維束的另一端（近端）經(jīng)特制的耦合裝置耦合到熒光顯微鏡中。光纖維束由7根單模光纖組成。每根光纖的直徑為200μm，兩端均經(jīng)化學(xué)方法拋光清潔。化學(xué)方法合成的寡核苷酸探針共價(jià)結(jié)合于每根光纖的遠(yuǎn)端組成寡核苷酸陣列。將光纖遠(yuǎn)端浸入到熒光標(biāo)記的靶分子溶液中與靶分子雜交，通過光纖維束傳導(dǎo)來自熒光顯微鏡的激光（490urn），激發(fā)熒光標(biāo)記物產(chǎn)生熒光，仍用光纖維束傳導(dǎo)熒光信號(hào)返回到熒光顯微鏡，由ccd相機(jī)接收。每根光纖單獨(dú)作用互不干擾，而溶液中的熒光信號(hào)基本不會(huì)傳播到光纖中，雜交到光纖遠(yuǎn)端的靶分子可在90％的甲酸胺（ formamide）和te緩沖液中浸泡10秒鐘去除，進(jìn)而反復(fù)使用。這種方法快速、便捷，可實(shí)時(shí)檢測(cè)dna微陣列雜交情況而且具有較高的靈敏度，但由于光纖維束所含光纖數(shù)目有限，因而不便于制備大規(guī)模dna芯片，有一定的應(yīng)用局限性。
2.生物素標(biāo)記方法中的雜交信號(hào)探測(cè)
以生物素（biotin）標(biāo)記樣品的方法由來已久，通常都要聯(lián)合使用其它大分子與抗生物素的結(jié)合物（如結(jié)合化學(xué)發(fā)光底物酶、熒光素等），再利用所結(jié)合大分子的特殊性質(zhì)得到最初的雜交信號(hào)，由于所選用的與抗生物素結(jié)合的分子種類繁多，因而檢測(cè)方法也更趨多樣化。特別是如果采用尼龍膜作為固相支持物，直接以熒光標(biāo)記的探針用于dna芯片雜交將受到很大的限制，因?yàn)樵谀猃埬ど蠠晒鈽?biāo)記信號(hào)信噪比較低。因而使用尼龍膜作為固相支持物的這些研究者大多是采用生物素標(biāo)記的。
目前應(yīng)用較多的是美國general scanning公司開發(fā)的基因芯片專用檢測(cè)系統(tǒng)(scanarray 3000)，采用激光共聚焦掃描原理進(jìn)行熒光信號(hào)采集，由計(jì)算機(jī)處理熒光信號(hào)，并對(duì)每個(gè)點(diǎn)的熒光強(qiáng)度數(shù)字化后進(jìn)行分析。近期又開發(fā)出了scanarray 5000，其掃描精度和功能有較大的提高。
七 結(jié)果的分析
樣品在被測(cè)定前，首先要經(jīng)過消化，使待測(cè)組織細(xì)胞中的dna或rna釋放出來，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄U(kuò)增后，以熒光標(biāo)記物標(biāo)記，放入基因芯片自動(dòng)孵育裝置（fluidics station）中，由其自動(dòng)控制反應(yīng)的時(shí)間、溫度以及緩沖液的配比等反應(yīng)條件，進(jìn)行雜交，這一過程，僅需要數(shù)秒鐘。雜交完成后，要對(duì)基因芯片進(jìn)行“讀片”，即應(yīng)用激光共聚焦熒光掃描顯微鏡，對(duì)基因芯片表面的每個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。這種顯微鏡，將聚焦的平面設(shè)定為芯片的表面，因此可以檢測(cè)結(jié)合到芯片表面位點(diǎn)的樣品片斷的熒光標(biāo)記，而待測(cè)樣品中未與芯片上探針結(jié)合的熒光標(biāo)記物，則懸浮于溶液中，由于不在聚焦平面上，因而不被檢測(cè)。樣品與探針的錯(cuò)配是影響雜交反應(yīng)結(jié)果的重要因素，但由于樣品與芯片上的探針正確配對(duì)時(shí)產(chǎn)生的熒光信號(hào)要比錯(cuò)配時(shí)強(qiáng)的多，因此，通過對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的分析，就可以區(qū)分正確與錯(cuò)誤的配對(duì)。
為了使結(jié)果的檢驗(yàn)更加簡(jiǎn)便和快速，affymetrix的基因芯片的分析系統(tǒng)中采用了基因陣列掃描儀和專用的基因芯片工作站，對(duì)一幅包含數(shù)萬個(gè)探針位點(diǎn)的基因芯片圖樣的分析，僅需要數(shù)分鐘的時(shí)間。這樣在短短的幾十分鐘至數(shù)小時(shí)內(nèi)，就可以完成用傳統(tǒng)方法需要數(shù)月才能完成的幾萬乃至幾十萬次雜交分析試驗(yàn)。
八 基因芯片的應(yīng)用
（一）基因表達(dá)分析 基因芯片具有高度的敏感性和特異性，它可以監(jiān)測(cè)細(xì)胞中幾個(gè)至幾千個(gè)mrna拷貝的轉(zhuǎn)錄情況。與用單探針分析mrna的點(diǎn)雜交技術(shù)不同，基因芯片表達(dá)探針陣列應(yīng)用了大約20對(duì)寡核苷酸探針來監(jiān)測(cè)每一個(gè)mrna的轉(zhuǎn)錄情況。每對(duì)探針中，包含一個(gè)與所要監(jiān)測(cè)的mrna完全吻合和一個(gè)不完全吻合的探針（圖2），這兩個(gè)探針的差別在于其中間位置的核苷酸不同。這種成對(duì)的探針可以將非特異性雜交和背景訊號(hào)減小到最低的水平，由此我們就可以確定那些低強(qiáng)度的mrna。目前，affymetrix公司已經(jīng)生產(chǎn)出hugenefl、mu6500（含有小鼠6 500個(gè)基因）、ye6100（含有酵母6 100個(gè)基因）等基因芯片成品。
1 分析基因表達(dá)時(shí)空特征。英國劍橋大學(xué)whitehead研究所的frank c.p. holstege等人，應(yīng)用含有酵母基因組的基因芯片，深入研究了真核細(xì)胞基因組的調(diào)節(jié)周期。應(yīng)用基因組水平的表達(dá)分析，監(jiān)測(cè)那些表達(dá)受轉(zhuǎn)錄起始機(jī)制的關(guān)鍵成分控制的基因，發(fā)現(xiàn)rna聚合酶ii、主要的轉(zhuǎn)錄因子tfiid和saga染色體修飾復(fù)合物等均在基因的表達(dá)中有自己特定的作用位點(diǎn)[15]。通過本試驗(yàn)，研究人員揭示了：（1）基因特異性的轉(zhuǎn)錄因子對(duì)表達(dá)的調(diào)控作用。（2）細(xì)胞在缺乏營養(yǎng)的環(huán)境中，基因不同位點(diǎn)的協(xié)同調(diào)節(jié)作用的全新機(jī)制。（3）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的最終作用位點(diǎn)，在最初的幾步中就可以確定。以此試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究人員進(jìn)一步繪制出了酵母基因組控制圖，并由此分析出了各種調(diào)節(jié)因子在基因上不同的作用位點(diǎn)和其作用的分子機(jī)制。
美國stanford大學(xué)的v.r.iyer等人[16]，對(duì)成纖維細(xì)胞中與細(xì)胞增生和損傷修復(fù)有關(guān)的基因進(jìn)行了分析。首先，他們用成纖維細(xì)胞中的8 600個(gè)基因片斷制成基因芯片的探針陣列，通過與mrna反轉(zhuǎn)錄形成的cdna的雜交反應(yīng)，可以判斷出該基因的活性。在試驗(yàn)中，成纖維細(xì)胞被置于無營養(yǎng)的環(huán)境中，使絕大部分基因的活性關(guān)閉，兩天后，加入10%的血清，24小時(shí)內(nèi)，分6個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)，觀察基因的活化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，在所有被監(jiān)測(cè)的基因中，約有500個(gè)基因最為活躍，而使細(xì)胞保持不分裂狀態(tài)的基因活性被抑制。其中，最早被活化的是那些轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因。在活化的基因中，有28個(gè)基因共同作用，控制細(xì)胞的增殖；8個(gè)與免疫反應(yīng)的激活有關(guān)；19個(gè)與血管重建有關(guān)；另有許多基因，與血管新生密切相關(guān)。在腫瘤細(xì)胞中，基因的表達(dá)與正常的細(xì)胞存在著明顯的差異。通過基因芯片繪出基因表達(dá)的時(shí)空?qǐng)D譜，有助于人類認(rèn)識(shí)生命活動(dòng)過程和特征。
2 基因差異表達(dá)檢測(cè)〔17〕 生命活動(dòng)中基因表達(dá)的改變是生物學(xué)研究的核心問題。理解人類基因組中10萬個(gè)不同的基因功能，監(jiān)測(cè)某些組織、細(xì)胞不同分化階段的差異基因表達(dá)（differential gene expression ，dge）十分重要。對(duì)差異表達(dá)的研究，可以推斷基因與基因的相互關(guān)系，細(xì)胞分化中基因“開啟”或“關(guān)閉”的機(jī)制；揭示基因與疾病的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)歸的內(nèi)在聯(lián)系。目前dge研究方法主要有表達(dá)序列標(biāo)簽（ests）測(cè)序、差減克隆（subtractive cloning ）、差異顯示（differential display）、基因表達(dá)系列分析 (serial analysis of gene expression, sage)。而cdna微陣列雜交技術(shù)可監(jiān)測(cè)大量mrna的轉(zhuǎn)錄，直接快速地檢測(cè)出極其微量的mrna，且易于同時(shí)監(jiān)測(cè)成千上萬的基因，是研究基因功能的重要手段之一。rihn bh等利用基因芯片檢測(cè)胸膜間皮瘤與正常細(xì)胞間比較了6500個(gè)基因，，發(fā)現(xiàn)了300多個(gè)差異基因的表達(dá)。其中幾個(gè)典型基因的表達(dá)經(jīng)rt-pcr進(jìn)行定量后，可作為胸膜間皮瘤診斷的標(biāo)記物（markers）[18]。sgroi〔19〕報(bào)告dna芯片結(jié)合激光捕獲顯微切割技術(shù)（laser capture microdissection）用于乳癌浸潤期和轉(zhuǎn)移期及正常細(xì)胞的基因表達(dá)譜（gene expression profiles）差異研究，結(jié)果被定量pcr和免疫組化所證實(shí)。差異表達(dá)有助于早期發(fā)現(xiàn)瘤細(xì)胞3萬個(gè)基因與正常細(xì)胞的區(qū)別，有助于了解瘤細(xì)胞的發(fā)生、浸潤、轉(zhuǎn)移和藥敏。最近，美國毒物化學(xué)研究所（ciit） 和國家環(huán)境健康科學(xué)研究所（niehs）正計(jì)劃在一張玻片上建立8 700個(gè)小白鼠cdna芯片，用于肝癌的研究。我國也已成功研制出能檢出41 000種基因表達(dá)譜的芯片。美國stanford大學(xué)的david botstein利用cdna微陣列芯片，對(duì)乳腺癌細(xì)胞的基因表達(dá)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其基因表達(dá)水平明顯低于正常細(xì)胞。利用基因芯片對(duì)表達(dá)進(jìn)行分析，在一次試驗(yàn)中可以獲取相當(dāng)于在60余萬次傳統(tǒng)的northern雜交中所獲得的關(guān)于基因表達(dá)的信息。通過這種實(shí)驗(yàn)方法，可以建立一種全新的腫瘤分類學(xué)方法，即依據(jù)每個(gè)腫瘤細(xì)胞中的基因表達(dá)情況對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行分類。基因芯片技術(shù)在分析基因的表達(dá)中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
3 發(fā)現(xiàn)新基因 moch等利用腫瘤微陣列芯片（5 184個(gè)cdna片段）發(fā)現(xiàn)了腎細(xì)胞癌的腫瘤標(biāo)志物基因，并于正常細(xì)胞進(jìn)行比較。在532份標(biāo)本中檢測(cè)到胞漿纖維vimentin的表達(dá)基因，陽性率為51%～61%〔20〕。追蹤觀察，有vimentin表達(dá)的患者，預(yù)后極差。人類大量ests給cdna微陣列提供了豐富的資源，數(shù)據(jù)庫中400 000個(gè)ests代表了所有人類基因，成千上萬的ests微陣列將為人類基因表達(dá)研究提供強(qiáng)有力的分析工具。這將大大地加速人類基因組的功能分析〔21〕。
定量檢測(cè)大量基因表達(dá)水平在闡述基因功能、探索疾病原因及機(jī)理、發(fā)現(xiàn)可能的診斷及治療靶等方面是很有價(jià)值的。如該技術(shù)在炎癥性疾病類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（ra）和炎癥性腸?。╥bd）的基因表達(dá)研究中，由ra或ibd組織制備探針，用cy3和cy5熒光素標(biāo)記，然后與靶cdna微陣列雜交，可檢測(cè)出炎癥疾病誘導(dǎo)的基因如tnf-α、il或粒細(xì)胞集落刺激因子，同時(shí)發(fā)現(xiàn)一些以前未發(fā)現(xiàn)的基因如hme基因和黑色素瘤生長刺激因子。schena等人[22]報(bào)道了cdna的微陣列在人類基因表達(dá)監(jiān)測(cè)、生物學(xué)功能研究和基因發(fā)現(xiàn)方面的應(yīng)用。采用含1,046個(gè)已知序列的cdna微陣列，用高速機(jī)器人噴印在玻片上，用雙色雜交法定量監(jiān)測(cè)不同基因表達(dá)，在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，不同表達(dá)模式的陣列成分通過序列分析鑒定其特征。該方法較以往常用的方法敏感10倍以上，檢測(cè)限度為1:500,000(wt/wt)總?cè)梭wmrna。在培養(yǎng)t細(xì)胞熱休克反應(yīng)的測(cè)定中，發(fā)現(xiàn)17個(gè)陣列成分的熒光比較明顯改變，其中11個(gè)受熱休克處理的誘導(dǎo)，6個(gè)呈現(xiàn)中度抑制，對(duì)相應(yīng)于17個(gè)陣列成分的cdna測(cè)序發(fā)現(xiàn)5個(gè)表達(dá)最高的成分是5種熱休克蛋白，17個(gè)克隆中發(fā)現(xiàn)3個(gè)新序列。另外，在佛波酯誘導(dǎo)檢測(cè)中[23]，發(fā)現(xiàn)有6個(gè)陣列成分信號(hào)增強(qiáng)超過2倍，測(cè)序及數(shù)據(jù)庫比較揭示有5個(gè)已知的，誘導(dǎo)表達(dá)最高的兩個(gè)是pca-1酪氨酸磷酸酶和核因子-κb1，有一個(gè)是未知的。這4個(gè)新基因的表達(dá)水平均相對(duì)較低，僅呈現(xiàn)2倍的誘導(dǎo)。northern雜交結(jié)果證實(shí)了微陣列的結(jié)果。進(jìn)一步檢測(cè)了人的骨髓、腦、前列腺及心臟組織中熱休克和佛波酯調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，4種組織中檢測(cè)出15種熱休克和佛波酯調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，其表達(dá)水平與jurkat細(xì)胞中相應(yīng)成分的表達(dá)水平密切相關(guān)如在四種組織中表達(dá)水平最高的兩個(gè)基因β-actin和細(xì)胞色素c氧化酶在jurkat細(xì)胞中的表達(dá)水平也很高。上述實(shí)驗(yàn)提示在缺乏任何序列信息的條件下，微陣列可用于基因發(fā)現(xiàn)和基因表達(dá)檢測(cè)。目前，大量人類ests給cdna微陣列提供了豐富的資源，數(shù)據(jù)庫中400,000個(gè)ests代表了所有人類基因，成千上萬的ests微陣列將為人類基因表達(dá)研究提供強(qiáng)有力的分析工具。這將大大地加速人類基因組的功能分析。
4 大規(guī)模dna測(cè)序 人類基因組計(jì)劃的實(shí)施促進(jìn)了高效的、自動(dòng)化操作的測(cè)序方法的發(fā)展。芯片技術(shù)中雜交測(cè)序（sequencing by hybridization, sbh）技術(shù)及鄰堆雜交（contiguous stacking hybridization, csh）技術(shù)即是一種新的高效快速測(cè)序方法[24-26]。用含65 536個(gè)8聚寡核苷酸的微陣列，采用sbh技術(shù)，可測(cè)定200 bp長dna序列，采用67 108 864個(gè)13聚寡核苷酸的微陣列，可對(duì)數(shù)千個(gè)堿基長的dna測(cè)序。sbh技術(shù)的效率隨著微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長度的增加而提高，但微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長度的增加則提高了微陣列的復(fù)雜性，降低了雜交準(zhǔn)確性。csh技術(shù)彌補(bǔ)了sbh技術(shù)存在的弊端，csh技術(shù)的應(yīng)用增加了微陣列中寡核苷酸的有效長度，加強(qiáng)了序列準(zhǔn)確性，可進(jìn)行較長的dna測(cè)序。計(jì)算機(jī)模擬論證了8聚寡核苷酸微陣列與5聚寡核苷酸鄰堆雜交，相當(dāng)于13聚寡核苷酸微陣列的作用，可測(cè)定數(shù)千個(gè)核苷酸長的dna序列[26]。dubiley等人[26]將合成的10聚寡核苷酸固定于排列在載片表面的0.1×0.1×0.02mm或1×1×0.02mm聚丙酰胺凝膠墊上制備聚寡核苷酸微陣列，先用分離微陣列（fractionation chips）進(jìn)行單鏈dna分離，再用測(cè)序微陣列（sequencing chips）分析序列，后者聯(lián)合采用了10聚寡核苷酸微陣列的酶促磷酸化、dna雜交及與鄰堆的5聚寡核苷酸連接等技術(shù)。該方法可用于含重復(fù)序列及較長序列的dna序列測(cè)定及不同基因組同源區(qū)域的序列比較。利用基因芯片測(cè)序的準(zhǔn)確率達(dá)99%以上。
正如nih首腦harold varmus在美國細(xì)胞生物學(xué)1998年年會(huì)上所說：“在基因芯片的幫助下，我們將能夠監(jiān)測(cè)一個(gè)細(xì)胞乃至整個(gè)組織中所有基因的行為?！?/p>
（二）基因型、基因突變和多態(tài)性分析
在同一物種不同種群和個(gè)體之間，有著多種不同的基因型，而這種不同，往往與個(gè)體的不同性狀和多種遺傳性疾病有著密切的關(guān)系。通過對(duì)大量具有不同性狀的個(gè)體的基因型進(jìn)行比較，就可以得出基因與性狀的關(guān)系。但是，由于大多數(shù)性狀和遺傳性疾病是由多個(gè)基因同時(shí)決定的，因此分析起來就十分困難，然而基因芯片技術(shù)恰恰解決了這一問題，利用其可以同時(shí)反應(yīng)數(shù)千甚至更多個(gè)基因的特性，我們就可以分析基因組中不同基因與性狀或疾病的關(guān)系。美國stanford大學(xué)的e.a.winzeler等[27]，以兩種不同菌株的酵母（s96和yjm789）作為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)控制酵母對(duì)放線菌酮的抗藥性的基因進(jìn)行分析。將含有酵母150 000個(gè)dna片斷的基因芯片分別與這兩株酵母活化轉(zhuǎn)錄的mrna分子雜交，s96幾乎全部吻合，而yjm789與芯片上的探針組存在較大的差異，約有3000個(gè)位點(diǎn)沒有雜交顯色。由于s96對(duì)放線菌酮有抗藥性而yjm789的抗藥性則弱的多，因此可以判定控制這一抗藥性的基因的所在。而后，通過對(duì)s96和yjm789雜交后產(chǎn)生的抗藥子代的遺傳標(biāo)記的分析，進(jìn)一步確定，控制該抗藥性的基因位于15號(hào)染色體，是一長約57 000個(gè)堿基的片斷。美國國家人類基因組研究室的j.g.hacia等在fodor研究小組的協(xié)助下[28]，將基因芯片應(yīng)用于雙色突變分析。他們的分析對(duì)象是與人類遺傳性乳腺癌和卵巢癌密切相關(guān)的brca1基因的外顯子11。在擴(kuò)增后，將brca1基因的外顯子11置于含有熒光素-12-utp的環(huán)境中進(jìn)行體外轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，而后將轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mrna與brca1外顯子11芯片雜交，4小時(shí)后，用藻紅蛋白染色。在觀察時(shí)，用488nm的氬離子激光進(jìn)行掃描，熒光染色位點(diǎn)呈現(xiàn)綠色，而藻紅蛋白染色的位點(diǎn)呈現(xiàn)紅色。應(yīng)用雙色分析，可以更為清楚的監(jiān)測(cè)未知樣品與標(biāo)準(zhǔn)鏈之間的競(jìng)爭(zhēng)性雜交情況，進(jìn)而分析該基因中的不同突變。通過對(duì)15名患者brca1基因的觀察，有14名患者在外顯子11位點(diǎn)存在不同的突變。hacia等［29］在1.28 cm×1.28 cm的芯片上固定了9.66×104個(gè)長度為20 nt的寡核苷酸探針，用于檢測(cè)乳腺癌基因brca1的exon11 (3.45 kb)中所有可能的堿基置換、插入和缺失(1～5 bp)突變。針對(duì)每一個(gè)位點(diǎn)，共有28個(gè)獨(dú)立的探針，14個(gè)針對(duì)有義鏈，14個(gè)針對(duì)反義鏈。14個(gè)探針包括2個(gè)野生型，3個(gè)堿基置換、4個(gè)插入突變、5個(gè)堿基缺失。在15例患者樣品中，發(fā)現(xiàn)有14例有基因突變，類型包括點(diǎn)突變、插入及缺失等；在20例對(duì)照樣品中均未檢出假陽性結(jié)果，結(jié)果表明dna芯片技術(shù)可快速、準(zhǔn)確地研究大量患者樣品定基因所有可能的雜合變。cronin等［30］分別用兩種dna芯片檢測(cè)囊性纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)節(jié)(cftr)的突變，其中一個(gè)芯片包含1 480個(gè)探針，檢測(cè)了cftr基因的第10和11外顯子的已知突變，包括缺失、插入和單堿基置換，并分析了10個(gè)未知樣品的cftr基因，其結(jié)果與pcr-relp的分析結(jié)果完全一致。
guo等人[31]利用結(jié)合在玻璃支持物上的等位基因特異性寡核苷酸（asos）微陣列建立了簡(jiǎn)單快速的基因多態(tài)性分析方法。將asos共價(jià)固定于玻璃載片上，采用pcr擴(kuò)增基因組dna，其一條引物用熒光素標(biāo)記，另一條引物用生物素標(biāo)記，分離兩條互補(bǔ)的dna鏈，將熒光素標(biāo)記dna鏈與微陣列雜交，通過熒光掃描檢測(cè)雜交模式，即可測(cè)定pcr產(chǎn)物存在的多種多態(tài)性，該方法對(duì)人的酪氨酸酶基因等4個(gè)外顯子內(nèi)含有的5個(gè)單堿基突變進(jìn)行分析，結(jié)果顯示單堿基錯(cuò)配與完全匹配的雜交模式非常易于區(qū)別。這種方法可快速、定量地獲得基因信息。β-地中海貧血中變異的檢測(cè)也論證了該方法的有效性和可信性[32]。lipshutz等人[33]采用含18,495個(gè)寡核苷酸探針的微陣列，對(duì)hiv-1基因組反轉(zhuǎn)錄酶基因（rt）及蛋白酶基因（pro）的高度多態(tài)性進(jìn)行了篩選。微陣列中內(nèi)部探針與靶序列的錯(cuò)配具有明顯的不穩(wěn)定性，據(jù)此可快速區(qū)別核酸靶的差異。例如檢測(cè)序列5'gtatcagcatxgccatcgtgc中x堿基的種類，可用下列4種探針3'agtcgtaacggtagc，3'agtcgtaccggtagc，3'agtcgtagcggtagc，3'agtcgtatcggtagc。高密度探針陣列可檢則具有特征性的較長序列相關(guān)的多態(tài)性與變異。篩選1,000個(gè)核苷酸序列的變異與多態(tài)性需要4,000個(gè)探針。用100μm合成位點(diǎn)，設(shè)計(jì)1.28cm2陣列，將有大約16,000個(gè)探針，能篩選4kb序列。hiv-1基因組中rt與pro在疾病過程中易于發(fā)生多種變異，這些變異將導(dǎo)致病毒對(duì)多種抗病毒藥物包括azt、ddi、ddc等出現(xiàn)明顯抗性，因此檢測(cè)和分析rt與pro的變異與多態(tài)性具有重要的臨床意義。隨著遺傳病與癌癥相關(guān)基因發(fā)現(xiàn)數(shù)量的增加，變異與多態(tài)性分析將越來越重要。chee等［34］用含有1.35×105個(gè)長度為25 nt的寡核苷酸探針，分析了16.6 kb的人類線粒體基因組dna(mt dna)，共分析了10個(gè)樣本，檢測(cè)出了505個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)，并在leber′s遺傳性視神經(jīng)疾病患者的mt dna中檢測(cè)出3個(gè)致病性突變位點(diǎn)。
隨著人類基因組計(jì)劃的逐步發(fā)展，研究人員分析出了越來越多的基因序列。下一步，就是要分析這些基因的多態(tài)性與生物功能和疾病的關(guān)系，而這需要對(duì)大量個(gè)體進(jìn)行分析。通過基因芯片snp（單核苷酸多態(tài)性）定位試驗(yàn)，可以確定基因多態(tài)性和疾病的關(guān)系，同時(shí)也可確定致病的機(jī)制和病人對(duì)治療的反應(yīng)等。同樣，對(duì)于許多與人類疾病密切相關(guān)的致病微生物，也可對(duì)其進(jìn)行基因型和多態(tài)性分析，1998年，法國t.livache等[35]就成功的利用基因芯片技術(shù)，對(duì)人血中的hcv病毒進(jìn)行了基因型分析。snp基因芯片的成功將使臨床診斷上到一個(gè)新的臺(tái)階。
（三）疾病的診斷與治療 人類的疾病與遺傳基因密切相關(guān)，基因芯片可以對(duì)遺傳信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析，因此它在疾病的分子診斷中的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的，就臨床一種新的、強(qiáng)有力的分子工具[36]?；蛐酒夹g(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于感染性疾病、腫瘤和藥物代謝等方面的研究。
1 遺傳病相關(guān)基因的定位 90年代以來,隨著人類基因組計(jì)劃的發(fā)展,各種方法被相繼創(chuàng)立并應(yīng)用到基因定位中。我國有4 000萬育齡婦女，每年有2 000萬新生兒，準(zhǔn)確檢測(cè)遺傳病基因是優(yōu)生優(yōu)育的技術(shù)保障。dna芯片充分結(jié)合并靈活運(yùn)用了大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、激光共聚焦掃描、dna合成、熒光標(biāo)記探針、分子雜交及分子生物學(xué)的其它技術(shù),在這一領(lǐng)域的研究中有著巨大的潛力。這一技術(shù)已成為基因定位研究的高效工具。隨著遺傳病與癌癥相關(guān)基因發(fā)現(xiàn)數(shù)量的增加，變異與多態(tài)性分析將越來越重要。hgp使許多遺傳疾病基因得以定位,配合使用多位pcr (multiplex-pcr) /dna芯片可一次篩查多種遺傳病,既經(jīng)濟(jì)快速又敏感可靠[37,38]。
2 腫瘤診斷 已用基因芯片檢測(cè)人鼻咽癌、肺癌基因表達(dá)譜、腫瘤原癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)和定位。早在1996年，m.j.kozal等就利用基因芯片[39]，對(duì)hiv-i b亞型中的蛋白酶基因的多態(tài)性進(jìn)行了分析，這也是基因芯片技術(shù)被首次應(yīng)用于臨床實(shí)踐。在艾滋病的治療中，使用hiv蛋白酶抑制劑是一種重要的手段。然而，病毒對(duì)該藥物的反應(yīng)卻有著很大的差異。利用基因芯片技術(shù)，研究人員分析了取自102個(gè)病人的167個(gè)病毒單體，發(fā)現(xiàn)這些同為美國hiv-i b亞種的病毒的基因序列存在極大差異，其中蛋白酶的基因片斷差異最大，在編碼99個(gè)氨基酸的序列中，竟有47.5%存在明顯突變。這些氨基酸的突變，直接導(dǎo)致了病毒抗藥性的不同。含96 600個(gè)20體寡核苷酸高密度陣列對(duì)遺傳性乳腺和卵巢癌brca1基因3.45 kb的第11個(gè)外顯子進(jìn)行雜合變異篩選，15個(gè)患者的已知變異的樣品中，準(zhǔn)確診斷出14個(gè)患者，20個(gè)對(duì)照樣品中未發(fā)現(xiàn)假陽性。用affimetrix p53芯片和pcr-sscp調(diào)查42例有乳癌史的家系，p53基因13 964位的g變?yōu)閏，突變率為7.1%；無乳癌家族史者為0。favis等用多位pcr/連接酶檢測(cè)反應(yīng)（pcr/ldr）在一個(gè)試管內(nèi)同時(shí)檢測(cè)數(shù)百個(gè)基因突變，用于檢測(cè)大腸癌組織k-ras 和p53突變及brca-1和brca-2低頻率突變收到良好效果。
人類惡性腫瘤中，約有60%與人類p53抑癌基因的突變有關(guān)，目前研究人員已經(jīng)研制成功了可以檢測(cè)p53基因所有編碼區(qū)（外顯子2～外顯子11）錯(cuò)意突變和單堿基缺失突變的基因芯片。以外顯子7的第248個(gè)密碼子為例，野生型為cgg，在芯片上做出5條探針，相應(yīng)位點(diǎn)分別為gac、gcc、ggc、gtc和g-c，根據(jù)雜交后的熒光顯色圖，就可以分析出該位點(diǎn)為何種突變。
3 感染性疾病的診斷 hiv-1基因組中rt與pro在疾病過程中易于發(fā)生多種變異，這些變異將導(dǎo)致病毒對(duì)多種抗病毒藥物包括azt、ddi、ddc等出現(xiàn)明顯抗性，因此檢測(cè)和分析rt與pro的變異與多態(tài)性具有重要的臨床意義。hayward[40]以3 648個(gè)插入片段建立獵槍微陣列(shotgun microarray)，通過差異雜交和dna測(cè)序找到了瘧原蟲無性和有性生殖階段基因差異表達(dá)，為抗瘧藥設(shè)計(jì)提供了線索?？梢灶A(yù)測(cè)在不久的將來，人們可望在一張dna芯片上檢測(cè)幾乎所有的病原微生物基因，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“組合檢測(cè)（profile tests）”。
4 耐藥菌株和藥敏檢測(cè) 據(jù)who報(bào)告，全球每年約有800萬結(jié)核病患者，有300萬人死亡，死亡人數(shù)超過了艾滋病和瘧疾的總和。主要原因是菌株對(duì)不同的藥物產(chǎn)生了抗藥性（俄國80%tb對(duì)一種藥物產(chǎn)生抗性；美國50%為多重耐藥）。對(duì)每例患者進(jìn)行菌株和藥敏鑒定是控制tb的關(guān)鍵。最近，俄美兩國科學(xué)家開發(fā)了具此功能的基因芯片，可使醫(yī)生及早使用敏感藥物。該芯片（tb biochips）將抗性菌株的單鏈dna標(biāo)記后固定在玻片上，與待檢tb株雜交，臨床使用未見假陽性，該芯片可清洗后重復(fù)使用50次。
（四）藥物研究中的應(yīng)用
從經(jīng)濟(jì)效益來說，最大的應(yīng)用領(lǐng)域可能是制藥廠用來開發(fā)新藥。所以已經(jīng)有多家制藥企業(yè)介入芯片的開發(fā)。如： incyte pharmaaceuticals inc.，sequana therapeutics，millenium pharmaceuticals inc.等。對(duì)于尋找新藥來說，目標(biāo)之一是應(yīng)用芯片可以在基因水平上尋找藥物靶標(biāo)。采用所謂“譯碼器”策略（decoder strategy）來確定藥物靶標(biāo)。從而找到“導(dǎo)向藥物”?；蛐酒脖挥糜趯ふ业鞍准っ敢种莆铩＜?xì)菌或腫瘤組織的耐藥性也涉及基因改變可以用dna芯片鑒定。
1 新藥開發(fā) 高通量的dna芯片可發(fā)現(xiàn)眾多的新基因和新的靶分子用于新藥的設(shè)計(jì)。噬菌體展示技術(shù)可創(chuàng)造大量蛋白質(zhì)，目前多用于抗體庫的建立和篩選，進(jìn)而可用于受體-配體相互作用的研究?；蚪M學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)（bioinformatics）將大大促進(jìn)制藥工業(yè)的發(fā)展。目前第一個(gè)生物分子工程藥物herceptin已用于乳癌的治療，并獲得美國fda的批準(zhǔn)。除腫瘤外，用分子生物工程設(shè)計(jì)的藥物可用于治療遺傳病及代謝疾病、抗衰老、設(shè)計(jì)新的抗生素和工業(yè)用酶等。
同時(shí)，有時(shí)一種藥物的作用是多方面的，基因芯片有助于發(fā)現(xiàn)一種藥物的新的功能。原先設(shè)想的作用是針對(duì)某一靶標(biāo)的，但在全基因或廣范圍篩選中卻發(fā)現(xiàn)該藥在另一方面有很強(qiáng)的抑制作用，從而開發(fā)成另一種新藥。
2 調(diào)查藥物處理細(xì)胞后基因的表達(dá)情況
基因芯片在用來研究藥物的作用機(jī)理時(shí)十分有用。marton[40]等人利用基因芯片構(gòu)建了免疫抑制性藥物fk506處理酵母細(xì)胞后的基因表達(dá)圖譜。發(fā)現(xiàn)用fk506處理的酵母細(xì)胞基因表達(dá)圖譜與fk506靶標(biāo)的無意義突變體相似。而用fk506去處理此突變體，發(fā)現(xiàn)了不同于野生型的作用機(jī)制。clarke等［41］用基因芯片研究了腸癌患者化療前和治療期間腫瘤基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)絲裂霉素c和5-氟尿嘧啶治療均可使糖苷合成酶和尿嘧啶-dna糖基酶的基因表達(dá)增加。該研究提示，這類研究既有助于闡明藥物的作用機(jī)制，也有助于確定藥物作用的靶基因，為新藥研究提供線索。
3 對(duì)藥物進(jìn)行毒性評(píng)價(jià)
應(yīng)用芯片查找藥物的毒性或副作用，進(jìn)行毒理學(xué)研究。尤其是慢性毒性和副作用，往往涉及基因或基因表達(dá)的改變。如果藥物能抑制重要基因的表達(dá)，則對(duì)它的深入研究就值得考慮。用芯片作大規(guī)模的表達(dá)研究往往可省略大量的動(dòng)物試驗(yàn)。若某個(gè)正在篩選的潛在藥物作用靶細(xì)胞得到的基因表達(dá)圖譜與已知的具有毒性副作用的藥物得到的基因表達(dá)圖譜相似時(shí)，就要考慮是否停止藥物開發(fā)（drug development）中花費(fèi)巨大的臨床實(shí)驗(yàn)階段。nuwaysir等［42］研制了包括涉及細(xì)胞凋亡、dna復(fù)制和修復(fù)、氧化應(yīng)激/氧化還原內(nèi)穩(wěn)態(tài)、過氧化物酶體增殖反應(yīng)、二英/多環(huán)芳烴反應(yīng)、雌激素反應(yīng)、看家基因、癌基因和抑癌基因、細(xì)胞周期控制、轉(zhuǎn)錄因子、激酶、磷酸酶、熱休克蛋白、受體、細(xì)胞色素p450等共2 090個(gè)基因的毒理芯片(toxchip v1.0), 該芯片既可用于毒物的檢測(cè)和遺傳多態(tài)性的檢測(cè)，又可用于受檢毒物的毒作用機(jī)制的研究。最近，holden等從人和小鼠文庫中選擇約600個(gè)與毒理學(xué)相關(guān)基因的cdna克隆，制備了種屬特異的毒理基因組學(xué)芯片，可研究肝臟毒性、內(nèi)分泌干擾、致癌作用等毒性終點(diǎn)的作用機(jī)制，也可用于確定以基因表達(dá)模式為基礎(chǔ)的化合物的毒性。
（五）基因芯片中醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用
中醫(yī)學(xué)中應(yīng)用基因芯片技術(shù)，還處于初始階段，目前主要集中以下三個(gè)方面：
1 中藥的研究，具體的方法，同上述藥物篩選方法類似。尤其中藥中眾多成分中有效成分的篩選、有效藥物的篩選、中藥毒理學(xué)過程均被大大簡(jiǎn)化，將推動(dòng)中藥的迅猛發(fā)展。中藥學(xué)引入基因芯片技術(shù)，將大大推動(dòng)中藥研究的國際化進(jìn)程，為闡明中藥作用機(jī)理，具有無可估量的重要意義。
2 中醫(yī)“證”本質(zhì)的研究。中醫(yī)“證”的中醫(yī)藥的臨床治療的核心，但“證”的本質(zhì)研究一直難以有重大進(jìn)展。主要因?yàn)橹嗅t(yī)理論設(shè)及到生命的整體，因而它牽涉到許多基因和蛋白質(zhì)，傳統(tǒng)的方法學(xué)無法弄清“證”的實(shí)質(zhì)，而利用基因芯片技術(shù)，對(duì)不同“證”狀態(tài)的基因組進(jìn)行掃描，再繪出不同證的基因表達(dá)譜，通過相關(guān)分析，可望獲得一些有意義的成果。也是從分子基因水平全面揭示“證”本質(zhì)提供了可能。如果證本質(zhì)被揭示，它可能會(huì)引起醫(yī)學(xué)治療學(xué)理論的重大革新或變化，尤其是個(gè)體化治療方案可能重新被重視。
3 針灸原理研究。針灸的原理設(shè)及全身各個(gè)部分，針灸不同方法、不同穴位、經(jīng)絡(luò)是否具有不同的作用，也即經(jīng)脈與臟腑間的相關(guān)聯(lián)系是否具有相對(duì)特異性。通過基因芯片測(cè)量不同組織基因表達(dá)的差異，判斷基因表達(dá)是否具有特異性，有望解決這一長期爭(zhēng)論不休的問題。如果心經(jīng)與心臟具有相對(duì)特異性，那么針刺心經(jīng)后，心臟內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)某些與針刺相關(guān)的特異性基因表達(dá)，而且，這種表達(dá)只在針刺心經(jīng)時(shí)出現(xiàn)，這些基因可能不在其它器官，如肝臟中表達(dá)。那么可以肯定地認(rèn)為經(jīng)脈臟腑相關(guān)是具有相對(duì)特異性的，也可以認(rèn)為傳統(tǒng)經(jīng)絡(luò)理論是有依據(jù)的。
另一方面，基因芯片還有助于揭示針灸的作用機(jī)制。針灸的作用是與神經(jīng)內(nèi)分泌免疫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（nei networks）密切相關(guān)的，它設(shè)及到細(xì)胞信使、神經(jīng)遞質(zhì)、調(diào)質(zhì)、神經(jīng)肽、細(xì)胞因子、內(nèi)分泌激素等多種因子，但針灸的信號(hào)是如何在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)傳遞的過程仍不明朗，如果引入基因芯片，可以高通量的檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)的時(shí)空特征，有助于了解針灸促進(jìn)基因表達(dá)的特點(diǎn)，進(jìn)而再利用蛋白組學(xué)相關(guān)技術(shù)，揭示針灸作用原理?，F(xiàn)在已有部分工作正在進(jìn)行。
（六）其它應(yīng)用
1 環(huán)境化學(xué)毒物的篩選 我們的生活環(huán)境中存在著數(shù)千種化學(xué)物質(zhì)，每種物質(zhì)在投入使用前必須進(jìn)行人體毒性試驗(yàn)，傳統(tǒng)的動(dòng)物試驗(yàn)費(fèi)用高昂，且存在著國際上關(guān)注的動(dòng)物福利（animal welfare）問題。采用毒物檢測(cè)芯片（toxchips）可對(duì)環(huán)境中眾多化學(xué)物質(zhì)對(duì)人類基因的潛在毒性進(jìn)行篩選，探查毒物“開啟”或“關(guān)閉”哪些基因，研究“環(huán)境如何改變我們的基因”。niehs將對(duì)人類100 000個(gè)基因中的12 000個(gè)基因進(jìn)行檢測(cè)，弄清致癌物質(zhì)對(duì)基因的改變，建立化學(xué)物質(zhì)指紋庫（fingerprints of chemicals），然后即可通過測(cè)定特定基因的突變與否判斷新的合成物質(zhì)的生物毒性。
2 體質(zhì)醫(yī)學(xué)的研究。體質(zhì)醫(yī)學(xué)關(guān)系到個(gè)體化治療的核心問題，不同的人具有不同的體質(zhì)基礎(chǔ)，其原因與基因型可能存在一定的相關(guān)性，尤其可能與snp關(guān)系較大，如何全面了解人的snp差異，以及它與體質(zhì)因素、疾病的易感性間關(guān)系，是值得研究的重大課題。
美國繼開展人類基因組計(jì)劃以后，于1998年正式啟動(dòng)基因芯片計(jì)劃，美國國立衛(wèi)生部、能源部、商業(yè)部、司法部、國防部、中央情報(bào)局等均參與了此項(xiàng)目。同時(shí)斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院及部分國立實(shí)驗(yàn)室如argonne oakridge也參與了該項(xiàng)目的研究和開發(fā)。英國劍橋大學(xué)、歐亞公司正在從事該領(lǐng)域的研究。世界大型制藥公司尤其對(duì)基因芯片技術(shù)用于基因多態(tài)性、疾病相關(guān)性、基因藥物開發(fā)和合成或天然藥物篩選等領(lǐng)域感興趣，都已建立了或正在建立自己的芯片設(shè)備和技術(shù)。目前全世界有幾百家基因芯片公司，有多種生物芯片問世，而且這些芯片的特點(diǎn)較以前密度更高，檢測(cè)方法更精確，特異性更強(qiáng)的特點(diǎn)。而主要仍以少數(shù)幾家公司為主，如affymetrix、brax、hysep等。國內(nèi)目前主要如清華大學(xué)（陳京）、中科院生命科學(xué)院、上海復(fù)旦大學(xué)、北京軍事科學(xué)院、南京東南大學(xué)、西安等四十余家公司，而且可能還有一大批公司相繼成立。
主要dna芯片高科技術(shù)企業(yè)的開發(fā)善和各自技術(shù)特點(diǎn)(1998年)[43]
十、當(dāng)前面臨的困難
盡管基因芯片技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，得到人們的矚目，但仍然存在著許多難以解決的問題，例如技術(shù)成本昂貴、復(fù)雜、檢測(cè)靈敏度較低，重復(fù)性差、分析泛圍較狹窄等問題。這些問題主要表現(xiàn)在樣品的制備、探針合成與固定、分子的標(biāo)記、數(shù)據(jù)的讀取與分析等幾個(gè)方面。
1 樣品制備上，當(dāng)前多數(shù)公司在標(biāo)記和測(cè)定前都要對(duì)樣品進(jìn)行一定程度的擴(kuò)增以便提高檢測(cè)的靈敏度，但仍不少人在嘗試?yán)@過該問題，這包括mosaic technologies公司的固相pcr擴(kuò)拉體系以及l(fā)ynx therapeutics公司提出大量并行固相克隆方法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但目前尚未取得實(shí)際應(yīng)用。
2 探針的合成與固定比較復(fù)雜，特別是對(duì)于制作高密度的探針陣列。使用光導(dǎo)聚合技術(shù)每步產(chǎn)率不高（95%），難于保證好的聚合效果。應(yīng)運(yùn)而生的其它很多方法，如壓電打壓、微量噴涂等多項(xiàng)技術(shù)，雖然技術(shù)難度較低方法也比較靈活，但存在的問題是難以形成高密度的探針陣列，所以只能在較小規(guī)模上使用。最近我國學(xué)者已成功地將分子印章技術(shù)應(yīng)用探針的原位合成而且取得了比較滿意的結(jié)果。
3 目標(biāo)分子的標(biāo)記也是一個(gè)重要的限速步驟，如何簡(jiǎn)化或繞過這一步現(xiàn)在仍然是個(gè)問題。目標(biāo)分子與探針的雜交會(huì)出現(xiàn)一些問題：首先，由于雜交位于固相表面，所以有一定程度的空間阻礙作用，有必要設(shè)法減少這種不利因素的影響。southern曾通過向探針中引入間隔分子而使雜交效率提高于150倍。其次，探針分子的gc含量、長度以及濃度等都會(huì)對(duì)雜交產(chǎn)生一定的影響，因此需要分別進(jìn)行分析和研究。
4 信號(hào)的獲取與分析上，當(dāng)前多數(shù)方法使用熒光法進(jìn)行檢測(cè)和分析，重復(fù)性較好，但靈敏仍然不高。正在發(fā)展的方法有多種，如質(zhì)譜法、化學(xué)發(fā)光法等。基因芯片上成千上萬的寡核苷酸探針由于序列本身有一定程度的重疊因而產(chǎn)生了大量的豐余信息。這一方面可以為樣品的檢測(cè)提供大量的難證機(jī)會(huì)，但同時(shí)，要對(duì)如此大量的信息進(jìn)行解讀，目前仍是一個(gè)艱巨的技術(shù)問題。
5 基因芯片的特異性還有待提高。最近affymetrix公司生產(chǎn)的基因芯片采用瓣的技術(shù)，已大大提高檢測(cè)的特異性，估計(jì)在今后幾年內(nèi)基因芯片的特異性將大大提高。
6 如何檢測(cè)低豐度表達(dá)基因仍是目前一個(gè)重要問題?；蛐酒ＷC其特異性、但又要保證能檢測(cè)低豐度表達(dá)的基因，目前尚未解決這一問題。因?yàn)樵S多低豐度表達(dá)的基因，也可能表達(dá)出主要執(zhí)行效應(yīng)功能的蛋白質(zhì)。因?yàn)榛虮磉_(dá)與蛋白質(zhì)生成并不成比例。
上述問題不僅是當(dāng)前和今后一段時(shí)期內(nèi)國內(nèi)外基因芯片技術(shù)研究的焦點(diǎn)，同時(shí)也是基因芯片能否從實(shí)驗(yàn)室研究推向臨床應(yīng)用的關(guān)鍵問題。
十一 基因芯片技術(shù)的研究可能方向
縱觀當(dāng)前基因芯片的研究趨勢(shì)，基因芯片在今后幾年內(nèi)可能的發(fā)展方向，可能有以下幾個(gè)方面：
1．進(jìn)一步提高探針陣列的集成度，如有多家公司的芯片陣列的集成度已達(dá)1.0×105左右，這樣基因數(shù)量在1.0×105以下的生物體（大多數(shù)生物體）的基因表達(dá)情況只用一塊芯片即可包括。
2 提高檢測(cè)的靈敏度和特異性。如檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化組合和采用高靈敏度的熒光標(biāo)志。多重檢測(cè)以提高特異性，減少假陽性。
4 高自動(dòng)化、方法趨于標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化，成本降低。價(jià)格高昂是目前推廣應(yīng)用的主要障礙之一，但隨著技術(shù)的革新，基因芯片的價(jià)格將會(huì)大大降低。
5 高穩(wěn)定性。寡核苷酸探針、rna均不穩(wěn)定，易受破壞。而肽核酸（pna）有望取代普通rna/dna探針，可以確保探針的高穩(wěn)定性。
6 研制新的應(yīng)用芯片，如1999年美國環(huán)保局(epa)組織專家研討會(huì)，討論了毒理學(xué)芯片的發(fā)展策略。近來多種新的生物芯片不斷問世，這是物理學(xué)、生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)共同的結(jié)晶。
7 研制芯片新檢測(cè)系統(tǒng)和分析軟件，以充分利用生物信息。
8 芯片技術(shù)將與其它技術(shù)結(jié)合使用，如基因芯片pcr、納米芯片等。
9不同生物芯片間綜合應(yīng)用，如蛋白質(zhì)芯片與基因芯片間相互作用等，可用于了解蛋白質(zhì)與基因間相互作用的關(guān)系。
當(dāng)前，基因芯片數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)在增長，功能也日益完善，但價(jià)格卻大大降低。可以預(yù)見，基因芯片可能在未來3-5年，也即到2005年左右，將在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，甚至普及使用！到2010年它可能成為常規(guī)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，正如個(gè)人電腦的迅速普及一樣。
基因芯片作為生物芯片的代表，其發(fā)展目標(biāo)同生物芯片的目標(biāo)一樣是“芯片實(shí)驗(yàn)室”(lab-on-chip)，也即將整個(gè)生化檢測(cè)分析過程縮微到芯片上。“芯片實(shí)驗(yàn)室”通過微細(xì)加工工藝制作的微濾器、微反應(yīng)器、微泵、微閥門、微電極等以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品從制備、生化反應(yīng)到檢測(cè)和分析的全過程，而且實(shí)驗(yàn)過程趨于自動(dòng)化從而極大地縮短的檢測(cè)和分析時(shí)間，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)材料，而且又降低人為主觀因素，大大提高實(shí)驗(yàn)的客觀性。
總之，基因芯片技術(shù)發(fā)展到今天不過短短幾年時(shí)間，雖然還存在這樣或那樣的問題，但其在基因表達(dá)譜分析、基因診斷、藥物篩選及序列分析等諸多領(lǐng)域已呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，隨著研究的不斷深入和技術(shù)的更加完善基因芯片一定會(huì)在生命科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮出其非凡的作用?；蛐酒罱K的意義和目的不再于本身，而在于它極大地提高了人類認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)的能力和手段，為揭示人類這個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。從某種意義上我們可以這樣認(rèn)為：基因的結(jié)構(gòu)或種類決定物種；基因的功能或表達(dá)則決定生命，即生物的生、老、病、死?；蛐酒夹g(shù)將為我們提供一條認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)的捷徑。當(dāng)然基因芯片并非萬能，基因的表達(dá)并非代表生命活動(dòng)本質(zhì)，生命執(zhí)行者應(yīng)是蛋白質(zhì)，因而基因芯片必需同蛋白組學(xué)相關(guān)技術(shù)，如二維凝膠電泳、蛋白質(zhì)芯片、大規(guī)模雙雜交體系等相結(jié)合才有望真正揭示生命活動(dòng)的時(shí)空過程。
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