一 生物芯片的简介

生物芯片技术是20 世纪90 年代初伴随着人类基因组计划的实施而产生的一门新技术，已成为高效、大规模获取相关信息的重要手段。它主要通过微加工技术和微电子技术，将成千上万与生命相关的信息集成在一块厘米见方的硅、玻璃、塑料等材料制成的芯片上，以达到对基因、细胞、蛋白质、抗原以及其他生物组分准确、快速地分析和检测。

生物芯片包括基因芯片、蛋白芯片和芯片实验室。蛋白芯片利用蛋白质之间的亲和作用，对样品中存在的特定蛋白质分子进行检测。芯片实验室是把化学或生物化学的实验过程微缩到一块几平方厘米的芯片上，是一个微而全的系统，它用量极微，速度极快，得到的信息量可以比常规实验室多几个数量级，不仅用于分析，也可用于反应，甚至细胞培养，在临床诊断、药物筛选和生命科学的其他领域都有广泛应用。

二 生物芯片的原理

生物芯片技术是建立在杂交测序技术基础上的一种高效、快速的新技术。基本原理是首先准备好芯片和待检样品，采用原位合成法、点接触法等方法，将大量生物分子（如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等生物样品）有序地固化于支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶或尼龙膜等载体）的表面，组成二维分子排列，然后与已标记的生物样品中靶分子杂交。最后，选择适宜的检测方法，通过特殊的芯片扫描仪和相应的软件进行数据分析。

三 生物芯片在环境微生物研究中的应用

（1）基因表达分析

基因表达分析可以用于了解微生物在生态环境中的功能活动，mRNA 是转录基因表达的中间产物，基因芯片可以通过对mRNA 的检测来分析基因的表达情况。研究者用基因芯片对枯草芽孢杆菌的孢子形成、生物合成和厌氧生长进行了基因表达分析，这些研究说明了芯片技术可以为研究微生物对生态环境和其他生物的反应提供独特的方法和信息。利用基因芯片还可以直接检测功能基因的表达，Wu 等，用含有nirS 、nirK、nifH 等和在系统进化上与之相联系的甲烷单加氧酶基因(pmoA) 等120 多个功能基因的芯片分析了海洋沉积物和土壤中硝化和去硝化微生物种群的分布，研究表明了海洋沉积物和土壤中的功能基因家簇具有明显的分布差异。

基因芯片还可以通过比较不同环境条件下mRNA 的转录活性差异而进行基因表达分析。Zhang等用基因芯片分析了酿酒酵母对二甲基亚砜(DMSO)的代谢反应，分析表明，酵母中的1338个基因在DMSO存在时有明显的反应，而此前的研究仅仅发现400个基因因环境胁迫表达，例如热激、氨基酸饥饿、缺氮等。

（2）比较基因组分析

自然环境中的微生物具有丰富的多态性，比较基因组分析可以用于评价相关生物物种间或株系间的遗传差异和相似性，也就是说可以用于相关物种间的系统发育分析。整个基因组阵列的基因杂交可以检测其它微生物中是否存在相似DNA 序列，允许大范围的遗传比较。DNA 芯片是很好的用于比较基因组分析的工具。Wilson等用光合平板印制技术设计了含有31179 个特异SSU rRNA 基因的芯片，用该芯片检测17个纯培养细菌，结果15个细菌被正确的鉴定，但是不能识别复杂混合样品中的单个序列。最近的研究表明胶垫(Gel2pad) 寡核苷酸基因芯片可以用来区别芽孢杆菌物种，也就是苏云金芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌。Small 等构建了含有物种特异性的16S rRNA 探针寡聚核苷酸芯片，并且与从土壤中提取的总RNA 进行了直接杂交，比较了金属还原细菌和脱硫弧菌。

（3）混合微生物群落的分析

基因芯片应用于环境微生物研究，最终目的是对微生物群落的结构和功能进行研究，有的研究是为了鉴定目的生物，有的研究是对群落的特定功能进行定性。有研究者用invA 、virA 和23S rRNA 基因为模板设计基因芯片，检测水环境中致病微生物，结果表明可以将水中致病菌沙门氏菌、志贺氏菌和大肠杆菌区分检测出来。Rudi 等构建了含有源于藻青菌的SSU rRNA 探针的小芯片，并在低浓度和高浓度下分析了湖泊中藻青菌的存在和数量，结果表明探针对培养物的分析是特异性的，还得到了湖泊样品中的可繁殖量。利用致病菌沙门氏菌属、志贺氏菌属等18 个属的16S rRNA制成的系统发育寡核苷酸芯片（POAs），对10 个菌属的110 余株细菌作了基因芯片检测，结果可以将绝大多数的致病菌检测出来。一种常用寡核苷酸基因芯片的改良型也被用于环境样品中的目标序列分析。例如：Valinsky 等利用从土壤克隆文库中获得的16S rRNA 构建基因芯片，分析比较了来自2 个不同农业土壤的1536 个16S rRNA 克隆的指纹图谱，结果发现了不同土壤间的组成差异，土壤中特殊的细菌种群与特异性的植物病害抑制作用具有相关性。Zhou等利用研制的环境检测功能基因芯片，对青藏高原和秦岭地区的土壤微生物相关功能基因的多态性和在全球气候变化中的响应进行研究，该芯片含有固氮、硝化、去硝化等2704 个基因，这是国内首次利用基因芯片进行此类研究

在环境保护上基因芯片有着广泛的用途，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，我们可以采用免疫(蛋白)芯片来检测有机污染物，利用酶芯片检测无机污染物，利用免疫芯片或基因芯片检测环境中的各种微生物。另一方面也能够通过大规模的筛选寻找保护基因，制备防治危害的基因工程药品或治理污染源的基因产品。