[00896985]第二代基因芯片

项目简介：生物芯片是将生命科学研究中所涉及的不连续的分析过程(如样品制备、化学反应和分析检测)，利用微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，使之连续化、集成化、微型化。生物芯片技术是一种高通量检测技术，它包括基因芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领域。基因芯片(Genechip)又称DNA芯片(DNA Chip)。它是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。尽管基因芯片技术已经取得了长足的发展，但仍然存在着许多难题和不足。目标分子的标记是重要的限速步骤，如何绕过这一步是人们一直期望解决的问题。其次是检测灵敏度不高，重复性差，无法检测单碱基错配的基因样品。再者，待检测的基因样品必须经过PCR扩增技术的处理以获得足够量的待检测样品，使检测过程相对复杂。课题组称具备以上特征的基因芯片技术为第一代基因芯片技术，这些特征充分说明基因芯片技术本身存在着较大的发展空间。为了避免以上不足，近几年世界各国的科学家做出了各种探索。北大物理系非线性科学和生物技术实验室在发现了“活动基因纳米舱(Active DNA Nanocompartment)”这一现象和原理的基础上，发展了的第二代基因芯片技术，包括电极阵列型基因芯片技术(Electrode-array DNA Chip)、非标记荧光指示基因芯片技术(DNA Chip Based on Non-labeled Fluorescence Reporter)、量子点指示基因芯片技术(DNA Chip Based on Quantum Dot Reporter)、分子灯塔型基因芯片技术(DNA Chip Based on Molecular Beacon)等，已经克服了上述三个不足的前两者，由于是近几年来国内尚无同类案例的对生物芯片的核心技术的重要革新，因而存在着良好的产业化和商业化的潜力和前景，将使中国在生物芯片领域进入国际领先水平。其技术特征和手段在国际上具有首创性，在一定程度上领先于国际同类技术。课题组已经申请了两项国家发明专利，并有多项新的发明专利正在申请准备之中。技术指标：第二代基因芯片包括如下几种：1. 电极阵列型基因芯片：将微电极在衬底上排成阵列，通过对氧化还原指示剂的电流信号的检测实现基因序列的识别；2. 非标记荧光指示基因芯片：利用荧光分子作为杂交指示剂，在不需对靶基因进行荧光标记的前提下，通过对荧光分子的检测实现基因序列的识别；3. 量子点指示基因芯片：利用量子点作为杂交指示剂，在不需对靶基因进行荧光标记的前提下，通过对量子点的扫描实现基因序列的识别；4. 分子灯塔型基因芯片：利用探针DNA片断的发夹结构，获得单碱基突变检测的能力。1. 由于不需要进行荧光物标记，芯片的使用复杂度得到简化，节约了用户的使用成本，提高了芯片的使用效率；2. 检测的精确度高，从而可以胜任第一代芯片所不能完成的某些任务，扩大了芯片的应用范围；3. 具备更高的集成性，因为简化了荧光标记的过程，从而更适于用来制造便携式芯片实验室；4. 配套的检测设备的制造成本将大大缩减，并可以小型化，便于随身携带和移动；而第一代芯片的检测设备不仅成本高，而且庞大笨拙，难以便携化。应用说明：同PCR技术一样，生物芯片技术正在开展和将要开展的应用领域非常广泛，除了基因表达谱分析外，杂交为基础的分析在基因突变的检测、SNP、基因作图、进化研究和其他方面也有广泛应用。应该说，第一代基因芯片的应用范围同样适用于第二代基因芯片，具体包括如下几个方面： 基因结构与功能研究，药物学和药物基因组研究，疾病诊断，中医药现代化研究，食物的基因工程等。而由于第二代基因芯片的高灵敏度，它将在SNP多态性分析、单碱基突变检测、疾病检测等方面有更广泛的用途。市场预测： 生物芯片的成熟和应用一方面将为本世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、分子生物学、航空航天、司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域带来一场革命；另一方面生物芯片的出现为人类提供了能够对个体生物信息进行高速、并行采集和分析的强有力的技术手段，故必将成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台。关于生物芯片的市场状况，到2001年，全世界生物芯片的市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元。在最近的5年之内，应用生物芯片的市场销售将达到200亿美元左右。根据专家统计：全球生物芯片工业产值最近5年的市场销售可达到200亿美元以上。到2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额将达50亿美元，2010年有可能上升为400亿美元。这还不包括用于疾病预防及诊治及其他领域中的基因芯片，这部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。因此，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为本世纪最大的产业。中国基因芯片的市场前景根据有关方面分析，主要表现在如下几个方面：1. 基因组学和分子生物学研究：尽管人类基因组的图谱已经基本完成，但其他物种的基因组的图谱仍需要大量的研究工作，这意味着高通量、大规模的基因芯片测序技术在基因组学和分子生物学研究方面具有重要应用价值。2. 药物筛选和新药开发：由于所有药物(或兽药)都是直接或间接地通过修饰、改变人类(或相关动物)基因的表达及表达产物的功能而生效，而芯片技术具有高通量、大规模、并行性地分析基因表达或蛋白质状况(蛋白质芯片)的能力，芯片作大规模的药物筛选研究可以省略大量的动物试验甚至临床，缩短药物筛选所用时间，提高效率，降低风险。3. 中药基因组学研究和我国的中药现代化：中药基因组学的含义是通过现代科学技术手段结合传统中药理论和现代科学理论，将中药的药性、功能及主治与其对特定疾病相关基因表达调控的影响关联起来，在分子水平上用现代基因组学，特别是功能或疾病基因组学的理论来诠释传统中药理论及作用机理。能够做到这一点，将极大地推动中国几千年悠久深厚的中药文化资源得到进一步的发展和弘扬。4. 疾病诊断：基因芯片作为一种先进的、大规模、高通量检测技术，应用于疾病的诊断，其优点有以下几个方面：一是高度的灵敏性和准确性；二是快速简便；三是可同时检测多种疾病。 5. 环境保护及其他：在环境保护上，基因芯片也有广泛的用途，一方面可以快速检测污染微生物或有机化合物对环境、人体、动植物的污染和危害，同时还可用于农业、商检、司法等领域。效益分析： 投产的资金使用项目包括：1. 专利费用：290万元。2. 公司的固定资产购置：100万元。如办公、交通设备、场地租赁等。3. 基因芯片实验室的投资：400万元。公司计划在北大科技园建设一个全国一流的基因芯片实验室，为基因芯片的研究与开发提供良好的基础设施。4. 基因芯片产品的研制与开发：500万元。用于三至四个产品的开发。 5. 基因芯片产品的生产：300万元。用于生产线的建设，原材料及配件的成本。 第一个三年计划的投资计划表(2003-2005) (单位：万元) 项目 2003年 2004年 2005年 合计。 1．专利费用 75 85 130 290； 2．公司的固定资产 30 30 40 100； 3．基因芯片实验室投资 100 200 100 400； 4．芯片产品的研制与开发 200 200 100 500； 5．产品的生产 0 0 300 300； 合计 405 525 670 1590。 基因芯片产品的研制与开发费用估算 (单位：万元) 项目 2003年 2004年 2005年 合计： 1．芯片本体 20 20 50 90；2．检测系统 100 100 0 200；3．控制软件 20 20 0 40；4．数据分析软件 20 20 10 50；5．阵列设计及其软件 20 20 20 60；6．测试与检验 20 20 20 60； 合计 200 200 100 500。 基因芯片实验室投资估算 (单位：万元) 项目 2003年 2004年 2005年 合计：1．场所 20 10 10 40 2．实验设备 80 150 90 320 (1)基本设备 80；(2)基因样品制备仪器 0 50；(3)点样或合成仪器 0 100；(4)芯片制备仪器 90；3．其他设备和固定资产 40 40； 合计 100 200 100 400。效益分析： 经初步分析，公司通过产业经营和资本经营，如产品销售收入、将部分技术转让、股票上市等，将为投资者创造比较可观的经济效益。由于公司前两年处于产品研发阶段，没有经营行为，以下列出了从第三年开始的盈利预测：(单位：万元) 2005年 2006年 2007年 合计 经营收入 500 6000 8,000 14500；经营成本 500 1500 2000 4000； 利润 0 4500 6000 10500。由于高科技企业可以争取减免税，以上分析暂时未考虑企业的营业税和所得税。