+ Với một chip sinh học được phát triển mới đây người ta có thể phân biệt được hai nhóm gen, một loại gây bệnh chiếm khoảng 40% và có thể dùng "phương pháp hóa học" để trị và 60% còn lại[r]
(1)CÔNG NGHỆ ENZIM CHIP SINH HỌC CẢM BIẾN SINH HỌC NHÓM – TỔ (2) CHIP SINH HỌC 1.1 Khái niệm: Chip sinh học là miếng vuông nhỏ thủy tinh hay nhựa nhân tạo Trên đó chia thành nhiều ô cực nhỏ giống bàn cờ và ô chip sinh học chứa đoạn DNA (desoxyribonucleic acid) đã biết (3) (4) Hình ảnh 3D chip sinh học (5) - Kỹ thuật chế tạo chip sinh học tương tự kỹ thuật chế tạo chip điện tử, nó đòi hỏi các dụng cụ chế tạo tinh vi và chính xác Ðể đưa đoạn DNA vào các khuôn nhỏ người ta dùng phương pháp quang học "fotolitho" học với kỹ thuật phun - Trung bình ô chip sinh học chứa khoảng 10 triệu phân tử nucleotit - Ðầu năm 2000 người ta chế tạo chip sinh học với 64.000 nucleotit khác nhau, trên diện tích 1,28cm x 1,28 cm (6) 1.2 Nguyên tắc hoạt động - Trước đưa lên chip sinh học các phân tử cDNA ( mRNA ) mẫu đánh dấu loại ánh sáng màu (fluorescent) để dễ nhận diện - Theo nguyên tắc sinh học "chìa khóa và ổ khóa" các mảng DNA phù hợp DNA chip giữ lại Với loại đèn phát quang đặc biệt người ta có thể phân biệt chúng cách dễ dàng (7) + Ô màu xanh trên chip: biểu hoạt động gen trạng thái tế bào thiếu đường glucose + Ô màu đỏ: tế bào có đủ đường + Ô màu vàng: Ðối với gen hoạt động cho hai trường hợp , vì màu vàng là màu tổng hợp màu xanh và đỏ (8) 1.3 Ứng dụng - Chip sinh học tìm vi trùng gây hại Chip sinh học không dùng để xác định hoạt động gen mà người ta còn áp dụng để khám phá các loại vi trùng gây bệnh, xuất thức ăn, nước uống và thể người Ưu điểm: + Cho kết nhanh: cần vài tiếng đồng hồ có thể xác định loại vi trùng gây bệnh và đề phương pháp điều trị thích hợp + Con người có thể phản ứng kịp thời + Ngăn chặn kịp thời khả phát triển bệnh các loại vi trùng gây bệnh (9) - Chip sinh học tìm thuốc trị bệnh + Một ứng dụng quan trọng chip sinh học là sử dụng việc tìm kiếm các loại thuốc hay các phương pháp chữa trị, thích hợp cho bệnh nhân + Với chip sinh học phát triển đây người ta có thể phân biệt hai nhóm gen, loại gây bệnh chiếm khoảng 40% và có thể dùng "phương pháp hóa học" để trị và 60% còn lại không phản ứng biện pháp này (10) - Chip sinh học chẩn đoán ung thư vú + Cứ 10 phụ nữ Ðức có người bị bệnh ung thư vú Hằng năm Ðức có thêm khoảng 45.000 phụ nữ bị bệnh + Ðể chẩn đoán và phân loại bệnh trạng bệnh nhân công ty Eppendorf Hamburg (Ðức) sản xuất loại Chip sinh học DualChipTM với 160 Gene để phân biệt các bệnh ung thư và qua đó người ta hy vọng có thể tìm các gen gây các bênh ung thư khó trị (11) Cảm biến sinh học 2.1 Khái niệm: Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị tích hợp có khả cung cấp thông tin phân tích định lượng bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với phần tử chuyển đổi (12) Bộ cảm biến sinh học (13) Chip cảm biến sinh học (14) Cảm biến sinh học cầm tay (15) 2.2 Cấu tạo cảm biến sinh học: Gồm bốn phận chính: + Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát có mặt các tác nhân sinh học cần phân tích +Tác nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực + Bộ phận chuyển đổi tín hiệu: giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc + Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra: có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý (16) 2.3 Nguyên tắc hoạt động 1)Đầu thu sinh học (Biological Receptor) - Là đầu thu phản ứng trực tiếp với các tác nhân cần phát và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học - Dựa vào các tác nhân sinh học sử dụng người ta chia thành số loại đầu thu sau: + Đầu thu làm từ enzyme: enzyme urease, glucose (17) + Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên: tính chọn lọc cao + Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ các protein cảm biến phát hocmôn, xác định các chất kích thích thần kinh, Các đầu thu này có đặc điểm là có tính chọn lọc cao Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là khó cách ly (18) + Đầu thu làm từ các axit nucleic: sử dụng để phát đột biến và các sai lệch cấu trúc di truyền + Đầu thu kết hợp: sử dụng đồng thời hai hay nhiều phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein ) trên đế Một số cảm biến dạng này là cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than và cảm biến thử thai + Đầu thu làm từ tế bào: Một số tế bào biến đổi gen vi khuẩn Khi có mặt các phân tử chất độc, các tế bào này phát sáng, thông qua đó chúng ta xác định xuất các phân tử chất độc (19) 2) Tác nhân cố định - Có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế Nói cách khác đây là phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn gốc từ thể sống) với thành phần vô (20) Tác nhân cố định (21) 3) Bộ phận chuyển đổi Đây là phận quan trọng cảm biến sinh học Có nhiều dạng chuyển đổi như: + Chuyển đổi điện hoá, + Chuyển đổi quang, + Chuyển đổi nhiệt, + Chuyển đổi tinh thể áp điện + Chuyển đổi các hệ vi (22) 2.4 Ứng dụng cảm biến sinh học: 1) Trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ: + Đây là lĩnh vực có nhiều cải tiến nhiều ứng dụng + Cảm biến thường sử dụng: cảm biến đo nồng độ oxi, lượng glucose máu, cảm biến huyết áp + Ưu điểm: - Giúp người bệnh có thể thường xuyên theo dõi tình hình bệnh tật mình mà không thiết phải đến các trung tâm y tế - Giảm thời gian hồi đáp mà còn chế tạo theo hướng càng ngày càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng (23) NASA chế tạo cảm biến sinh học dò tìm vi khuẩn Cơ quan Không gian và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) vừa chế tạo thành công loại cảm biến sinh học dựa trên công nghệ nano đại có khả phát vi khuẩn, vi-rút và ký sinh trùng (24) • Cảm biến sinh học giúp phát sớm ung thư Các nhà khoa học phát triển cảm biến sinh học bé xíu có thể phát các protein ung thư và các siêu vi trùng tiềm ẩn Cảm biến sinh học này chế tạo cách dùng kỹ thuật tương tự quay hồi chuyển hệ thống định vị và các túi khí (25) 2) Ứng dụng công nghệ môi trường: Đó là các cảm biến dạng “mũi điện tử” xác định hoá chất độc hại nào đó xác định độ ô nhiễm môi trường cảm biến xác định nồng độ khí độc (CO2, H2S), xác định dư lượng thuốc trừ sâu, xác định nồng độ các kim loại nặng, (26) 3) Ứng dụng các tương tác Người – Máy: - số cảm biến dạng này như: cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, nhận dạng các đặc trưng sinh học người Đây là lĩnh vực hứa hẹn có nhiều nghiên cứu, ứng dụng (27) 4) Ứng dụng việc điều khiển, quản lý các quá trình công nghệ sinh học: Cảm biến sinh học theo dõi, quản lý, điều khiển các quá trình sinh học điều chỉnh lượng glucose quá trình nuôi vi khuẩn v.v Các cảm biến sinh học đã tỏ có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như: tính chọn lọc cao, đáp ứng nhanh, đơn giản và chính xác (28) 5) Microchip cảm biến sinh học thúc đẩy phát triển thuốc điều trị Các nhà nghiên cứu Standford đã phát triển microchip cảm biến sinh học có thể thúc đẩy nhanh quá trình phát triển thuốc điều trị Các microchip này gói các “cảm biến nano – nanosensor” độ nhạy cao (29)