1
晶片應用系統簡介
生物晶片與生醫工程系統
生物晶片部分(6小時）
2
生物晶片綱要
基因(gene)簡史
分子生物簡介
分子生物技術
生物晶片(Biochip)設計原理
生物晶片實例及其運作流程
生物晶片影像與資料分析
生物晶片的發展趨勢與展望
3
基因(gene)簡史綱要
孟德爾遺傳法則
人類基因體計畫
DNA雙股螺旋結構
國內基因相關研究計畫
4
緒論 – 基因簡史
1865
孟德爾
(Mendel): 遺傳的基本單位是
「
遺傳因子
」
z
直至1900年，孟德爾的研究始終不受注意
1909 約翰遜(Johannsen): 將孟德爾遺傳因子
的概念正式定名「
基因
」(gene)
1944 發現基因是由
去氧核醣核酸
(DNA -
D
eoxyribo
n
ucleic
A
cid)組成
1953 James Watson and Francis Crick :提出
基因結構為
雙股螺旋
(Double Helix) (後來得
到諾貝爾獎)
5
緒論 – 基因簡史
科學史上最孤獨的天才-
孟德爾
z
孟德爾發表論文(
遺傳法則
）後，曾印製40份單行
本分送世界各國權威，其中包括
達爾文
。然人們
在達爾文藏書中找到孟德爾論文時，連頁並沒割
開，因此
達爾文可能連看都沒看過
。
z
孟德爾
的不幸乃是因其處於巨人
達爾文
的陰影之
下。加上當時生物界認為對
進化論(適者生存、自
然淘汰）
而言，物種間的雜交比物種內的雜交來
得重要多了。
z
1900年三位科學家同時獨立地重新發現“
孟德爾定
律
” (
遺傳法則
） ，孟德爾超前35年的科學才重新
被研究。但這卻也悲哀地証明，孟德爾論文的出
現與否，對生物學的研究沒有影響。
6
緒論 – 基因簡史
科學史上最孤獨的天才
孟德爾
失敗原因
z
生不逢時，處於巨人
達爾文進化論
的陰影之下
z
馬太效應，達爾文進化論太過成功使人們認為其遺
傳理論泛生學說應不遑多讓，而孟德爾理論與之相
悖，故不受重視。(馬太效應，意即錦上添花)
z
不擅推銷，發表不受重視後，紫羅蘭、玉米、紫茉
莉的實驗雖亦驗証其理論，但終生未再發表。
z
使用統計，當時生物界不認為生物會與數學相關，
也懶得去了解數字間的關係，
孟德爾卻是首位使用
統計數學的生物學家
，一般生物學家難以理解。
z
孟德爾臨死前數月曾說過：「我深信世界承認這工作成果
已為期不遠了，雖說不遠、其實也不近…」。他逝世後又
過了16年到1900年，其成就才被世人所接受。
7
DNA Double Helix (雙股螺旋）
8
DNA Double Helix (雙股螺旋）
9
DNA Double Helix (雙股螺旋）
10
DNA 序列 (DNA Sequence)
11
緒論 – 基因簡史 (續)
1990 啟動
人類基因體計畫
(Human Genome
Project)
1995
流行性感冒嗜血桿菌
(haemophilus
influenzae)成為史上第一個被定序的有機生命
體
1998 賽雷拉(CELERA)公司加入基因研究計畫
2000 人類
DNA序列草圖
完成
12
緒論 – 基因簡史 (續)
基因體計畫以美、英、德、法、日、中國
為首，共十八個國家參與序列解讀工作。
1998年，賽雷拉公司加入後，利用快速
DNA自動定序儀
、使用電腦來辨識基因所
在。定序期間電腦不斷利用既有法則做修
正改進工作。
因賽雷拉公司之加入、使得人類基因體草
圖解序提早三年(原訂2003年完成)。
13
流行性感冒嗜血桿菌(haemophilus influenzae)
14
緒論 – 基因小常識
生物體內有多少個基因？
z
人類約三萬至四萬個
z
蛔蟲約一萬九千個
z
酵母菌約六千個
z
結核病菌約四千個
不同個體間的DNA差異有多大？
z
人與人之間，差異約0.2%
z
人與黑猩猩之間，差異約2%
我們尚不了解其作用的DNA，約佔97%
15
緒論 – 國內基因相關研究計畫
2000年國科會「生物資訊」跨領域研究
2000年五月台灣榮陽研究團隊完成人類
第四號染色體千萬鹼基定序計畫，貢獻
度為千分之三
2001年國科會國家型研究計畫
z
基因體醫學國家型計畫
2001年國科會跨領域專題研究
z
工程處：資訊科技
z
生物處：生物資訊
16
緒論 – 基因研究展望與思考
利用基因研究能活到一千兩百歲？
生命之書幾許價？誰該擁有版權？
基因研究是否能訂做一個他／她？
基因研究衍生出科學與倫理之戰？
將來會為器官移植開設人類農場？
分子科技帶來的是頂點還是深淵？
…
17
分子生物簡介綱要
DNA
RNA
複製(Replication)、轉錄(Transcription)、轉
譯(Translation)
蛋白質(Protein)、胺基酸
基因密碼
18
分子生物簡介 – DNA位置
DNA位於細胞核內之「
核仁
」
19
分子生物簡介 – DNA核甘酸分子
核甘酸(Nucleotide)包含：
z
五碳糖(去氧核糖, deoxyribose)
z
磷酸基(phosphate group)
z
四種含氮鹼基之一(A、G、C、T)
20
分子生物簡介 – 核酸的發現
核酸的發現是從傷口的膿汁而來的
z
核酸物質在1869年，被
米謝
(Miescher)所發
現。他從醫院患者繃帶收集
膿汁
並作研究。
選擇膿汁的理由是因為膿汁裡包含大量與細
菌作戰而死的白血球。其體積遠比一般細胞
大，易於觀察研究。經其萃取白血球細胞核
內物質後得到
含磷酸
且易染於鹼性色素之物
質。因為來自
細胞核
，故命名
核酸
。
z
同時期
孟德爾
亦發現
遺傳法則
並預知遺傳物
質的存在。可惜在孟德爾的遺傳因子(基因)
被証明為核酸之時，時光已經又過了80年。
21
↑染色體層次圖(由左至右)
←染色體結構圖(由上至下)
染色體的股線緊密折疊，一般認為染色體是
由很長的 DNA雙螺旋鏈盤捲在組織蛋白質
(histone)分子上，像珠子串在一條線上的形
式形成染色質(chromatin)。例如，一條人類
染色體之DNA平均長度為5Omm。 DNA分子繞組
織蛋白質分子結合成為核體(nucleosome)單
位，核體單位折疊緊縮形成染色質纖維
(chromatin fiber) ，染色質纖維高度折疊
形成染色體的延伸部份，而纏繞又折疊形成
染色體的緊縮部份。
22
分子生物簡介 – DNA核甘酸之鍵結
23
分子生物簡介 – DNA四個含氮鹼基
24
分子生物簡介 – DNA序列形狀
25
分子生物簡介 – DNA與RNA
核甘酸 (Nucleotide)：
z
腺嘌呤 (adenine, A)
z
鳥糞嘌呤(guanine, G)
z
胞嘧啶(cytosine, C)
z
胸腺嘧啶(thymine, T)
z
尿嘧啶(uracil, U)
去氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid , DNA)
z
{A, G, C, T} (鹼基配對:
G
≡C, A=T
)
核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA)
z
{A, G, C, U} (鹼基配對:
G
≡C, A=U, G−U
)
26
分子生物簡介 – DNA的長度
人類 DNA 總長度大約是
3
×10
9
(30億) 鹼
基對 (base pairs)
其中只有約1%~1.5%鹼基對有發揮作用
人類基因個數: 三萬到四萬之間
z
此結果乃是來自人類基因體計畫
z
原先預期約十萬個
27
分子生物簡介 – 轉錄與轉譯作用
28
DNA、基因(Gene)、蛋白質(Protein)
DNA: 為細胞工作之程式
蛋白質: 執行細胞賦予之工作(程式)
T
C
C
AA
C
GG
T
G
C
T
G
A
G
G
T
G
C
AC
Gene
Protein
DNA
29
DNA的複製(Replication)--動畫
30
DNAÆRNA 轉錄(Transcription)
–
動畫
31
RNAÆ蛋白質 轉譯(Translation)
–
動畫
32
蛋白質(Protein)的組成
胺基酸(Amino Acid)
為蛋白質的基本單位，
共20種
33
蛋白質分子形狀
34
胺基酸的組成–基因密碼
每
三個核甘酸
(codon，基因密碼)對應至
一種胺基酸
。
U
C
A
G
GGU Gly [G]
GGC Gly [G]
GGA Gly [G]
GGG Gly [G]
GAU Asp [D]
GAC Asp [D]
GAA Glu [E]
GAG Glu [E]
GCU Ala [A]
GCC Ala [A]
GCA Ala [A]
GCG Ala [A]
GUU Val [V]
GUC Val [V]
GUA Val [V]
GUG Val [V]
G
U
C
A
G
AGU Ser [S]
AGC Ser [S]
AGA Arg [R]
AGG Arg [R]
AAU Asn [N]
AAC Asn [N]
AAA Lys [K]
AAG Lys [K]
ACU Thr [T]
ACC Thr [T]
ACA Thr [T]
ACG Thr [T]
AUU Ile [I]
AUC Ile [I]
AUA Ile [I]
AUG Met [M]
A
U
C
A
G
CGU Arg [R]
CGC Arg [R]
CGA Arg [R]
CGG Arg [R]
CAU His [H]
CAC His [H]
CAA Gln [Q]
CAG Gln [Q]
CCU Pro [P]
CCC Pro [P]
CCA Pro [P]
CCG Pro [P]
CUU Leu [L]
CUC Leu [L]
CUA Leu [L]
CUG Leu [L]
C
T
h
i
r
d
P
o
s
i
t
i
o
n
U
C
A
G
UGU Cys [C]
UGC Cys [C]
UGA Ter [end]
UGG Trp [W]
UAU Tyr [Y]
UAC Tyr [Y]
UAA Ter [end]
UAG Ter [end]
UCU Ser [S]
UCC Ser [S]
UCA Ser [S]
UCG Ser [S]
UUU Phe [F]
UUC Phe [F]
UUA Leu [L]
UUG Leu [L]
U
F
i
r
s
t
P
o
s
i
t
i
o
n
G
A
C
U
Second Position of Codon
AUG is also the “start” codon.
35
胺基酸分子形狀
36
胺基酸小常識
必需胺基酸：人體無法合成，必須靠食物來攝取的胺基酸。
非必需胺基酸：人體可以利用其它的物質來合成的胺基酸。
Asparagine
Arginine
Asparagine
Lysine
Glutamic acid
Histidine
Aspartic acid
Tryptophan
Tyrosine
Phenylalanine
Proline
Methionine
Cysteine
Threonine
Alanine
Isoleucine
Alanine
Leucine
Glycine
Valine
非必需胺基酸
必需胺基酸
37
分子生物技術綱要
電泳法(electrophoresis, EP)
PCR放大技術
墨點技術
z
南方墨點(Southern blotting)
z
北方墨點(Northern blotting)
z
西方墨點(Western blotting)
38
分子生物技術—電泳法
電泳法(electrophoresis, EP) – 分子量測定
技術
z
分子愈大、泳動愈慢
；帶電愈大、泳動愈快
z
利用SDS陰離子介面活性劑中和其電量，使
其泳動速度單純由分子大小決定
z
將之與蛋白質標準溶液(protein marker)同跑
電泳、比較其相對位置即可測知分子量大小
39
40
SDS 有一個極性頭部，與一條非極性尾巴。
因此 SDS 可以介入極性與非極性基團之間，是一種界面活性
劑，就是俗稱的清潔劑。SDS 可以把非極性尾巴鑲入蛋白質三
級構造的內部，而以其極性頭部與外界的水分子結合，因而使
得蛋白質變性。
41
理論上 SDS 是很均勻的吸附到蛋白質上，因此不管原來
蛋白質分子的大小，每種蛋白質分子上所吸附的負電荷密
度是相同的。
42
蛋白質 Z 在左邊的 native-PAGE 中無法向下泳動，但在右邊的
SDS-PAGE 則可以依其分子量正確泳動；因此一般使用上，SDS-
PAGE 的應用較廣泛。 在 SDS-PAGE 下，雖然 X 分子被解構成
單元體，因此分子量由 160 kD 變成 40 kD；但若在較為溫和的樣
本處理條件下，有可能看到未完全解構的 160 kD 蛋白質色帶。
43
分子生物技術–PCR
PCR(Polymerase Chain Reaction)放大技
術–
DNA複製技術
z
DNA雙股螺旋達一定熱度以上時即會分開
成為單鏈
z
此時加入引子(primer)，其自動與分開之單
鏈結合並以其為模版進行複製
z
降低溫度使其恢復為原先之雙股螺旋結構
z
重覆上述步驟3，即可以指數成長速度大量
複製DNA
我們以Flash動畫說明其進行步驟，如
下：
44
PCR放大過程
–
動畫
45
ÍPCR流程簡圖
PCR機器Î
46
分子生物技術 – 墨點技術
南方墨點
(Southern Blot)、
北方墨點
(Northern Blot)、
西方墨點
(Western Blot) –
基因變異檢測技術
z
先使用電泳法將大分子切開成小分子並予以分
離
z
將小分子轉印(blotting)至濾膜上
z
用標記之探針(probes)與之進行雜交
(hybridization)
z
辨識雜交後之資訊後，即可對有興趣的序列進
行鑑定或分離
47
A. 電泳法後，將結果轉錄至濾膜上
B. 使用探針在膜上進行雜交
C. 辨識雜交結果，並對有興趣部份進行鑑定或分離
48
分子生物技術 – 墨點技術之異
同
南方墨點法(Southern blotting)
z
使用於DNA方面
北方墨點法(Northern blotting)
z
使用於RNA方面
西方墨點法(免疫墨點法，Western blotting)
z
使用於蛋白質方面
三者的使用
流程及概念大致皆相同
，不同
的是實驗材料有異。
49
分子生物技術 – 南方墨點法
Step 1: 將DNA片段先藉瓊脂凝膠電泳分
開。
Step 2: 藉“轉印（blotting）”法將之轉移到
一個硝酸纖維素濾膜上。
Step 3: 採用放射性標記核酸探針
（radioactively labelled nucleic acid
probes）與之進行雜交（hybridization）。
Step 4: 對感興趣的核酸序列進行鑑定或分
離。
50
分子生物技術 – 北方墨點法
進行步驟：
z
Step 1:使用凝膠電泳分離出RNA。
z
Step 2:轉移到其他的高分子擔體上固定。
z
Step 3:用標記之DNA探針雜交。
z
Step 4:對所要研究的RNA進行鑑定。
此方式的困難點在於RNA的處理較為費
事。然而，但藉由此方法我們可以得到基
因轉錄表現的第一手資訊。
51
分子生物技術 – 西方墨點法
別名
免疫墨點法
，主要用於偵測抗原及研究抗
體、抗原間的特異性。
進行步驟：
z
Step 1:抗原蛋白的製備抗原蛋白質膠體電泳分析。
z
Step 2:將分離的polypeptides轉移至轉移膜 (membrane)
上。
z
Step 3:將膜上非特異性的結合位置覆蓋住。
z
Step 4:加入抗體反應。
z
Step 5:偵測
52
西方墨點的應用–檢測玉米是否基因改造–動畫
53
生物晶片(Biochip)設計原理術綱要
生物晶片原理
生物晶片設備
生物晶片種類
z
基因晶片(Gene chip, DNA microarray)
• 寡核酸陣列(Oligonucleotide microarray)
• 互補核酸陣列(cDNA microarray)
z
晶片實驗室(Lab-on-a-chip)
z
蛋白質晶片(Protein chip)
生物晶片載片
54
生物晶片原理
將數千甚至數萬個點(spot)-
單股DNA
，
別名
探針(probe)
，以高密度方式植在約
拇指大小之晶片，利用生物結合特性做
到同時大量偵測反應效果。
z
探針來源：寡核甘酸(oligonucleotide)或已經
存在於基因庫中的互補核甘酸cDNA
z
晶片材質：玻璃片、尼龍薄膜
z
除DNA外，亦可將蛋白質(proteins)、抗原
(antigen)、抗體(antibody)放在晶片上做不同
之偵測及應用
55
生物晶片原理(續)
一個正常細胞的mRNA，另
一個是有經處理的mRNA，
經反轉錄成cDNA，在反轉
錄期間分別在cDNA尾端
（UTP）或頭端（GTP）加
入一種螢光標識，染有螢光
黃（Cy3）的及染有玫瑰紅
螢光染劑（Cy5），而加上
螢光染劑原理是將原本鍵結
T或G的打掉，換潻加含有
螢光染劑U或G上去，兩種
樣本相混合，帶有螢光的探
針與晶片上的標的基因做雜
合反應，之後再將沒有雜合
的探針給篩洗悼，減少雜
訊。最後，經由
電腦程式分
析其呈色結果
藉由
DNA生物晶片
分析基因
表現之原理：
56
← Ezspot Arrayer
左圖為生物晶片打點機，下方
為其玻璃載片或薄膜載片。此
機種為DNA及蛋白質皆適用多
功能機型。
57
生物晶片設備
圖一：生物晶片，一台
調控電腦、氣體操作成
分、及一個小室。
生物晶片
是一種微型裝
置，利用微電子技術將
大型的儀器微小化，在
微小化後的裝置上放置
多種特定的生物材料，
此些生物材料可以與其
他物質發生特異性的生
化反應，反應後的訊號
可被定量，此種結合
微
電子、微流體以及生物
技術的微型裝置稱之
58
生物晶片設備(續)
圖二：一個模板上含有
標準48個顯微鏡的玻
片、microtiter放置在一
個可裝載及卸下的模板
上、沖洗及乾燥站。
一般商業用的晶片機械
裝備包含一個懸臂式
XYZ手臂，在手臂上裝
載著十六個針筆、48個
固定的顯微鏡玻片、20
個microtiter可裝載和卸
下、篩洗和乾旱站及一
台調控氣體管理成分，
皆放在一個小房內。
59
生物晶片設備(續)
圖三：含有16針筆的
xyz的機械手臂。
探針的裝填是相當有
彈性的，可依盤數、
坡片的大小及材質而
點制適當的位置，而
電腦控制其他成分和
允許操作者輸入各種
變數，如探針數、盤
數、玻片數及間隔、
玻片樣式。
60
生物晶片種類–依特性分類
(一)
基因晶片
(Gene chip, DNA micro-
array )：利用共軛互補的核酸為探針，整
齊排列晶片之上。使用其互補序列之核
酸雜交結合，藉此進行樣品檢驗或環境
檢測。另外依晶片上之探針種類不同，
基因晶片尚可細分為下列兩種：
z
寡核酸陣列 (oligonucleotides microarray)
z
互補核酸陣列 (cDNA microarray)
61
生物晶片種類–依特性分類(續)
(二)
晶片實驗室
(Lab-on-a-chip )：整合若
干微管道及微反應於一塊晶片上以完成
各種樣品處理、反應或分析檢測，功能
類似一個小型實驗室之縮影。依功能尚
可細分成下列兩種：
z
PCR晶片 (PCR chip)
z
毛細管電泳晶片 (capillarylectrophoresis chip)
62
生物晶片種類–依特性分類(續)
(三)
蛋白質晶片
：以蛋白質為生物探針，整齊的
排列在晶片上，進行抗原-抗體免疫反應，用以檢
測蛋白質。其尚待克服之技術瓶頸如下：
z
有效提升結合於晶片上之抗體或結合物之穩定性
z
有效鍵結具正確方向及足夠數目抗體或結合物於晶片
上
z
研發足夠數量可資辨識不同生命物質的擷取抗體或晶
片結合物
z
有效提升晶片的偵測靈敏度
z
依不同用途、材質、訊號傳導、生物相容性等等上有
諸多問題待解決
63
生物晶片依用途分類
(一)樣品製備
z
主要用途為分離及濃縮特定細胞，以供檢驗
之用
(二)生化反應
z
加速生化反應用之晶片，典型晶片代表為核
酸擴增反應晶片(PCR Chip)
(三)結果檢測
z
如毛細管電泳晶片即是一例
64
生物晶片材質
陶瓷基複合材料（玻璃、二氧化矽）
z
成本低、可重製，但破壞性容忍度差
熱塑性複合材料（聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲
酯）
z
具抗濕性及破壞容忍度高之優點
金屬基複合材料（金、二氧化鈦）
z
除抗濕性及破壞容忍度高之優點外，尚具有絕佳傳
導性之優點
現今最常使用於檢測抗原抗體反應的基材主要
是
熱塑性複合材料
；而
金屬基複合材料
則以壓
電晶體感測器較為廣泛使用
65
生物晶片載片型式
66
載片型式優劣比–玻璃載片
蛋白質液
易蒸發
難適用於
各種以水
溶液為基
礎之反應
易交叉污
染
適用於標準
之微陣列打點
機與檢測儀器
(如掃描機)
成本較低
利用現成
DNA晶片
所使用之
微陣列打
點機將蛋
白質液點
在玻璃載
板上
平面玻璃
載體晶片
缺點
優點
原理
晶片種類
67
載片型式優劣比–多孔膠墊
雖可適用於
水溶液為基
礎之反應，
然樣本需較
長之洗滌時
間
成本較高
利用光顯影
技術(photo-
lithography)
來製作基質
適用於標準之微
陣列打點機與檢
測儀器(如掃描機)
能固定於晶片上
之蛋白質量較多
凝膠中之緩衝液
可降低蛋白質變
性之機率
不易產生交叉污
染
以聚炳烯
醯胺凝膠
(polyacryl
amide gel)
點在玻璃
板上，蛋
白質樣本
即固定在
其中
立體多孔
膠墊晶片
缺點
優點
原理
晶片種類
68
載片型式優劣比–微孔晶片
雖可適用
於標準之
微陣列打
點機與檢
測儀器，
然機器需
重新排列
與校正
微孔各自獨立，
不易產生交叉污
染原別適用於蛋
白質之生化反
應，且反應靈敏
度高，方便更換
緩衝液
蛋白質液不易蒸
乾
成本較低
適用於自動化之
設計
在矽彈性平板
(silicon ela-
stomer sheets)
中之微陣列設
計微孔洞，先
將受質
(capture agents
抓住特定蛋白
質之媒介物質)
黏附於每個微
孔洞底部，再
將蛋白質置於
微孔洞中反應
及分析
微孔晶片
缺點
優點
原理
晶片種類
69
生物晶片實例及其運作流程綱要
Spotted DNA arrays
Affymetrix gene chips
Ink-jet microarrays from Agilent
70
生物晶片實例一
Spotted DNA arrays (設計製造)
1.使用PCR放大技術複製DNA
(PCR amplification)
2.使用純化技術保留目標DNA
(Purification)
3.將目標DNA利用精密儀器以
高密度方式分段依序載於薄膜
上
(Robotic printing)
71
生物晶片實例一
Spotted DNA arrays (操作使用)
4.將紅色螢光加在RNA 1上，
並將綠色螢光加在RNA 2上
5.將加過不同螢光的兩個RNA
分別置於薄膜上做雜交結合
(Hybridize)
6.雜交結合完畢後，清洗薄膜
並分別掃描其結果影像
(Wash, Scan 1 & Scan 2)
72
生物晶片實例一
Spotted DNA arrays (結果判讀)
7.將分別掃描之兩者影像，使
用軟體結合後，可得出其合併
結果如左。
紅色者為RNA 1表現較強部份
綠色者為RNA 2表現較強部份
黃色者則為兩者表現強弱相似
73
生物晶片實例二–Affymetrix
Affymetrix gene chips (設計製造)
運用光刻法技術(Photolithography technology)，
將核甘酸一一建築於晶片之上，最長長度為25mer。
其探針可彈性任意設計(其它晶片之探針多為實體DNA
切段而來)
74
Reference: Microarray pdf file by Yuki Juan in NTUST, May 26, 2003
75
生物晶片實例二–Affymetrix
Affymetrix gene chips (操作使用)
選用適合之晶片，在
其上有大量數目之單
股螺旋，長度各為25
mers。
其中一半為完美配對
(perfectly match -PM)
另外一半為瑕疵配對
(one mismatch –MM)
基因表現強度判定式
子為：PM-MM
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生物晶片實例二–Affymetrix
Affymetrix gene chips (操作使用 – 續)
將使用過紅色螢光
做記之目標RNA區
段與晶片上之DNA
做雜交結合。
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生物晶片實例二–Affymetrix
Affymetrix gene chips (結果判讀 – 續)
結果如左圖示。結
合程度較高之區域
(cells)會顯現出較
強之紅色螢光。
完全不發光者則是
沒有結合的區域。
依螢光強度可判定
基因表現程度。
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生物晶片設計製造操作–動畫
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生物晶片實例三
Ink-jet microarrays from Agilent (設計製造)
使用特殊生物墨水噴射技
術，將所需之DNA直接“印”
在晶片上，長度約為
25~60mers
優點為設計彈性大、且製造
速度快，但缺點是過於昂貴
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生物晶片實例三
Ink-jet microarrays from Agilent (操作使用與結果判讀)
Ink-jet microarrays
from Agilent除設計
製造方法較為特殊
之外，其它操作使
用與結果判讀方式
與一般生物晶片並
無二致。
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生物晶片影像與資料分析綱要
影像擷取（尋點）
數值資料轉換
影像正規化
資料過濾
資料分類與分群.
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生物晶片分析 – 影像擷取(尋點)
尋點(To find a spot)
由於生物晶片上的反應點彼此間距離相當接近而
辨識不易。且除操作疏失外也會有實驗污染干
擾。因此光是第一步、正確地抓出晶片上所有的
反應點位置、便是一項大工程。
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生物晶片分析 – 影像擷取(尋點)
影響電腦正確辨識反應點的因素如下：
z
反應點大小或形狀不正確(Irregular size or
shape)
z
反應點強度太弱(Low反應點顏色飽和度
(Saturation)
z
intensity)
z
反應點間互相渲染干擾(Spot variance)
z
背景污染干擾(background variance)
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生物晶片分析 – 影像擷取(尋點)
反應點影像
可能錯誤
狀況舉例，由左至右分別為：
z
無法辨識(顏色過淺)
z
顏色過深
z
錯誤反應點(形狀有問題、顏色深淺也不一致)
z
排列位置不正確
z
人工失誤(自然反應點顏色不可能會深淺差這麼多，中間
還被分隔開)
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生物晶片分析 – 數值資料轉換
數值資料轉換(Convert feature into numeric
data)
在除去各項干擾、正確判斷出反應點位置之
後。接著需將反應點的影像資料轉換成電腦
可比較的數值資料
此步驟較為
簡單
、只需將影像之
RGB值、亮
度、對比
等資料循一定公式算出數值即可。
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生物晶片分析 – 資料正規化
資料正規化(Data normalization)
由於每次實驗環境均有小差異、且各種掃描
機對影像RGB值等亦有不同。為免這些變數
影響數值資料之正確性，每次實驗均會有實
驗組及對照組，以藉此
校正數值資料
。
誤差
原因
如下：
z
著色誤差(Dye bias)
z
位置誤差(Location bias)
z
強度誤差(Intensity bias)
z
插梢誤插(Pin bias)
z
滑動誤插(Slide bias)
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生物晶片分析 – 資料正規化範例
左圖為未正規化資料，右圖則是已正規化之資料
明顯可看出正規化後的顏色較為鮮明易辨認。
88
生物晶片分析 – 資料過濾
資料過濾(Data filtering)
資料過濾目的在於移除條件不符的基因，
以增加處理的速度及正確性。
條件不符
原
因可能如下：
z
異常點
：顏色過深、背景過強、分佈不均等等
z
過於極端之點
：例如最大最小間相差500以
內，而且最大最小的比值在5以內之點
z
統計原因
過濾：例如p-value<0.01之點
z
生物原因
理由而遭過濾
z
程式本身
掌握的點特性而濾除
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生物晶片資料分析 – 分類與分群
資料分類與分群(Data classification and
clustering)
分類(Classification)，不脫窠臼的
(Supervised)：資料分群的目的
z
疾病鑑別(identify disease)
z
結果預測(predict outcome)/最佳處置(select best
treatment)尋找資料中的自然分類
分群(Clustering)，跳脫窠臼的(Unsupervised)：
z
尋找新的生物上分類(find new biological classes)/改
善既有分類(refine existing ones)
z
探索(exploration)
90
生物晶片資料分析 – 分類與分群
一般常見之分類方法
決策樹/規則 (Decision Trees/Rules)
類神經網路 (Neural Nets)
z
基因數目精簡時、可有不錯成效
支持向量機 (SVM – Support Vector Machine)
z
精確度高、具自我選擇性、但不易了解
K芳鄰法 (K nearest neighbor)
z
基因數量少時可用、粗糙
貝氏網路 (Bayesian nets)
z
簡單但粗糙
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生物晶片資料分析 – 分類與分群
資料分類與分群(Data classification and
clustering)
資料分群的目的
z
尋找資料中的自然分類
z
辨認新分類或新的基因相依關係
z
改善既有生物分類
z
支援生物分析或發現
分群方法
z
階層式分群法(Hierarchical clustering)、自我組織映
射圖(SOM’s, self organizing maps)
92
生物晶片的展望 – 生物晶片現況
自1998年6月美國宣佈正式啟動生物晶片計劃
後，他國亦紛紛跟進
至今保守估計在美國就約有3000家的生物晶
片公司，實際生產者約100家。而目前亦屬測
試改良階段、故
實際皆未獲利
。
依末端市場不同，生物晶片可區分為「研究
用」及「臨床檢驗用」晶片兩種
目前由於製作
技術及門檻皆高
，故實際市場
及成長規模相當有限。但
日後潛力無窮
。
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生物晶片的展望– 生物晶片應用
基因表現的藍圖
– 了解疾病與基因間的關係
毒理學上的分析
– 檢測有機毒物對特定基因
之表現
基因的定序
– 同時且大量地做基因定序
單一核醣核酸多形性的檢定
– 此檢定需做到
大量之基因定序方可能完成，故可利用生物
晶片
法醫學上的應用
– 檢定快速、準確且易攜
帶，可望成為未來法醫現場辦案利器
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生物晶片的展望– 生物晶片應用(續)
免疫反應分析
– 利用抗原抗體之結合性即可
蛋白質晶片
– 將探針改為蛋白質以期能做到
廣大蛋白質生物學上的研究
生物武器偵測
– 在戰場上快速準確檢定有害
之生物武器
藥物篩選
– 應用藥品與其接受器(receptors)
之緊密結合特性於晶片上
電話硬體上的應用
– DNA之自我組合性可
結合非生物物質並將其帶至特定位置上以達
成目標
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生物晶片的展望– 生物晶片醫療市場預測
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生物晶片的展望– 生物晶片商機
晶片表面處理與製造
晶片製程研發
檢體處理及訊號放大技術及機台的開發
生物資訊軟體開發與生物資訊資料庫服務
半自動化操作訊號讀取機台開發
產品效能改進與契約服務
工研院的生醫中心
首先以oligo DNA-chip為
起始點，發展診斷發燒病原菌的晶片，預計
將為台灣開創另一波高科技浪潮。