현대 생명 과학 연구에서 수학과 컴퓨터의 역할에 대해 이야기하다.
20 세기는 물리 과학의 세기이고, 2 1 세기는 생명과학의 세기이다. 생명과학, 특히 생명기술의 급속한 발전은 인간의 건강, 농업 발전, 생존 환경과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 다른 학과의 발전을 촉진할 것이다. 소위 "오늘의 과학, 내일의 기술, 모레 생산" 입니다. 생명과학의 기초 연구는 현대 생명기술의 원천이며 과학 기술 혁신의 관건이다.
현대 생명 공학은 최첨단 과학 기술을 선도하는 학문이다. 이를 위해, 나는 그것이 수학, 나의 전공 수업, 컴퓨터 등 이론이나 기술과 어떻게 유기적으로 연결되어 있는지 궁금하다. 이를 바탕으로 여가 시간을 이용해 많은 웹사이트와 책을 찾아보며 수확을 거두었다. 이제 "유전자 칩" 기술에 대해 다음 사항에 대해 이야기 해 봅시다.
첫째, 유전자 칩 소개
DNA 칩이라고도 하는 유전자 칩은 1990 년대 중반에 발전한 하이테크 제품이다. 유전자 칩의 크기는 손톱 뚜껑과 같고, 그 기질은 보통 가공된 유리 조각이다. 각 칩의 기저 표면은 수만 개에서 수백만 개의 세포로 나눌 수 있다. 특정 기능, 약 20 개의 염기서열을 가진 핵산 분자 (분자 프로브라고도 함) 를 지정된 세포에 고정할 수 있습니다.
고정화된 분자 프로브는 기저에 서로 다른 프로브 배열을 형성하고 분자 교잡과 병렬 처리의 원리를 이용하여 유전자 칩을 유전 물질의 분자 검사에 사용할 수 있기 때문에 유전자 연구, 법의학 감정, 질병 검사, 약물 선별에 사용할 수 있다. 유전자 칩 기술은 효율성, 속도, 다중 매개변수 등 비교할 수 없는 특징을 가지고 있으며 검출, 교배, 분할, DNA 염기서열 등 전통적인 생명기술의 중대한 혁신과 도약이다.
둘째, 유전자 칩 기술
바이오칩 기술은 1990 년대 초 인간 게놈 프로젝트가 순조롭게 진행됨에 따라 탄생했다. 집적 회로 제조 과정에서 반도체 리소그래피 등의 소형화 기술을 통해 생명과학 연구에서 샘플 준비, 화학반응, 정성 정량 검출 등 불연속적이고 이산적인 분석 과정을 손톱 덮개 크기의 실리콘 또는 유리 조각에 통합하여 이러한 분석 과정을 연속화하고 소형화합니다. 즉, 여러 실험실, 검사실이 필요한 기술을 다양한 용도의 휴대용 생화학 분석기로 만들어 바이오메트릭 분석 과정을 완전히 자동화하고 분석 속도를 수천 배 높이고 필요한 샘플과 화학 시약 수를 수천 배 줄이는 것이다. (윌리엄 셰익스피어, 템플릿, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자, 화학자) 가까운 미래에는 분자생물학, 기초의학 연구, 임상진료, 신약 개발, 사법감정, 식품위생감독, 생물무기전쟁 등에 널리 적용될 것으로 예상된다.
바이오칩 기술은 현재 가장 유망한 DNA 분석 기술 중 하나이며, 분석 대상은 핵산, 단백질, 세포, 조직이 될 수 있다. 현재 국제적으로 바이오칩을 이용해 질병을 진단하는 것은 아직 연구 단계에 있으며, 외국에서는 이미 암유전자, 근육 위축 등 일부 유전병의 표현과 돌연변이를 관찰하는 데 사용되고 있다.
바이오칩 기술도 치료에 사용할 수 있다. 예를 들어, 4 제곱밀리미터의 칩을 개발했는데, 그 중 400 개의 주사기가 약물로 가득 차 있어 정기적으로 환자에게 약물을 정량적으로 주사할 수 있다. 또한 과학자들은 당뇨병을 치료하기 위해 정기적으로 인슐린을 방출하는 바이오칩 마이크로펌프와 심장을 이식할 수 있는 칩 심박동기를 만드는 것을 고려하고 있다. 바이오칩 기술과 조합화학의 결합으로 또 다른 가치 있는 응용 방향, 즉 신약 개발을 위한 초고통 선별 플랫폼 기술을 제공하여 신약 개발과 한약 평가 방면에서 중대한 돌파구를 마련할 것이다.
유전자 칩 응용 기술 사례
1, 유전자 디코딩
현재 다국적 과학자들이 참여한' 인간 게놈 프로젝트' 는 2 1 세기 초 완전한 인간 염색체 배열지도를 작성하려고 시도하고 있다. 염색체는 DNA 의 전달체이고, 유전자는 DNA 에 유전적 작용을 하는 단편이며, DNA 의 기본 단위는 네 개의 염기이다. 모든 사람이 30 억 개의 염기쌍을 가지고 있기 때문에, 모든 DNA 의 염기서열을 해독하는 것은 의심할 여지 없이 거대한 공사이다. 유전자 칩은 기존의 유전자 시퀀싱 기술에 비해 인간 게놈을 해독해 유전자 돌연변이를 감지할 수 있는 속도가 수천 배나 빠르다.
유전자 칩이 이렇게 빨리 검출되는 것은 주로 유전자 칩에 수천 개의 마이크로젤이 있어서 동시에 검출할 수 있기 때문이다. 동시에 마이크로젤은 3 차원이기 때문에 단백질과 DNA 를 고정하고 분석할 수 있는 3 차원 검출 플랫폼을 제공하는 것과 같습니다.
미국은 유전자 칩을 연구하고 있으며 유전자 암호를 빠르게 해석할 수 있는' 유전자 칩' 을 개발해 인간 유전자 해석 속도를 전제조건보다 1000 배 높였다. 그림 1 은 임베디드 유전자 칩이 있는 유전자 감지 장치를 보여줍니다.
2. 유전자 진단
유전자 칩으로 인간 게놈을 분석하면 병을 일으키는 유전자를 찾을 수 있다. 암과 당뇨병은 모두 유전자 결함으로 인한 질병이다. 의학과 생물학 연구원들은 몇 초 안에 암 등을 초래하는 돌연변이 유전자를 식별할 수 있을 것이다. 작은 방울의 시험액을 통해 의사는 약물이 환자에게 미치는 효능을 예측하고, 치료 과정에서 약물의 불량반응을 진단하고, 환자가 어떤 세균, 바이러스 또는 기타 미생물에 감염되었는지 즉석에서 확인할 수 있다. 유전자 칩을 이용하여 유전자를 분석하면 10 년 후 당뇨병 진단률이 50% 이상에 이를 것이다.
앞으로 사람들이 신체검사를 할 때 유전자 칩이 장착된 진단 로봇이 피실험자로부터 혈액을 채취하고, 신체검사 결과는 순식간에 컴퓨터 화면에 나타날 수 있다. 유전자 진단을 통해 의료는' 대중의료' 시대부터 개별 유전자에 따라 달라지는' 맞춤형 의료' 시대로 발전할 것이다.
유전자 환경 보호
유전자 칩은 환경 보호에도 유망하다. 유전자 칩은 미생물이나 유기물로 인한 오염을 효율적으로 감지할 수 있으며, 연구원들이 해독과 소화 기능을 갖춘 천연 효소 유전자를 발견하고 합성하는 데도 도움이 된다. 일단 이 친환경 유전자가 발견되면 연구원들은 이를 일반 세균으로 옮긴 다음 이 유전자 변형 세균으로 오염된 강이나 토양을 청소한다.
4, 유전자 계산
DNA 분자는' 컴퓨터 디스크' 와 유사하며 정보를 저장, 복제 및 다시 쓰는 기능을 가지고 있다. 나선형 DNA 분자를 곧게 펴면 사람의 키를 초과하지만 접으면 지름이 몇 미크론에 불과한 공으로 축소할 수 있다. 따라서 DNA 분자는 초고밀도, 대용량 분자 메모리로 간주됩니다.
유전자 칩이 개선되어 서로 다른 생물학적 상태에서 서로 다른 숫자를 표현한 후에도 바이오컴퓨터를 만드는 데 사용할 수 있다. 유전자 칩과 유전 알고리즘을 기반으로 한 생물 정보학 기업은 앞으로 등장할 예정이며, 오늘날의 컴퓨터 하드웨어 거물인 인텔사와 소프트웨어 거물인 마이크로소프트와 대적할 수 있다.
넷째, 유전자 칩의 실제 응용
유전자 칩은 생명과학, 의학 연구, 환경보호, 농업 방면에서 매우 중요한 응용가치를 가지고 있다. 유전자 칩의 추진으로 인류는 완전히 새로운 생물학적 정보 시대로 접어들고 있다.
1. 미국에서 과학자들은 처음으로 바이오칩이라고 하는 컴퓨터 칩을 인체 세포에 이식하여 인체 세포를 컴퓨터에 연결했다. 미국 과학자 보리스 루빈스키와 그의 동료 황용이 지난 3 월' 생물의학 마이크로장치' 잡지에 공개한 것이다.
2. 인체 세포 외빵에는 세포막이 있어 특정 물질을 단방향으로 통과시키는 기능이 있다. 여러 해 동안 과학자들은 전기 충격을 통해 필요한 물질을 세포막에 들어갈 수 있는 방법을 찾고 있었지만, 지금까지 사용된 방법은 때때로 성공하고 때로는 실패하였다. 루빈스키와 황용이 개발한 새로운 방법을 사용하여 세포막은 컴퓨터로부터 신호를 받아 일부 물질이 세포에 들어갈 수 있게 했다. 상황에 따라 이 물질들은 유전자, 약, 단백질을 바꾸는 데 사용되는 유전 물질일 수 있다. 이런 식으로 이러한 물질은보다 효과적 일 수 있습니다.
루빈스키와 다른 과학자들은 신경세포와 근육 등 인체 조직에 지시를 내릴 수 있는 바이오칩을 개발할 계획인데, 이는 적어도 사람들이 복용하는 약을 더욱 효과적으로 만들 수 있다. Moriro Flary 는 오하이오 주립대 생물의학공학센터 주임인 Moriro Flary 가 Rubinski 의 발명은 잠재적인 조기 개발 실험실 도구라고 말했다.
미국 과학자들은 인간 세포를 회로와 짝을 지을 수 있는 생물공학 칩을 발견했는데, 이 칩은 의학 및 유전공학에서 중요한 역할을 할 수 있다고 말한다.
머리카락보다 더 가는 이 작은 장치는 건강한 인체 세포와 전자 칩을 결합하여 컴퓨터로 제어한다. 과학자들은 그들이 세포의 활동을 통제할 수 있다고 생각한다.
컴퓨터는 세포칩에 전기 펄스를 보내 세포막의 모공이 열리도록 자극하고 세포를 활성화시킨다. 과학자들은 이 세포 칩을 대량 생산하여 인체에 이식하여 병든 조직을 교체하거나 바로잡기를 원한다.
보리스 루빈스키 (Boris Rubinski) 캘리포니아 대학 기계공학교수는 "세포 칩은 과학자들이 복잡한 유전자 치료 과정에서 세포 구멍을 더 정확하게 열 수 있기 때문에 더 정확하게 통제할 수 있게 해준다" 고 말했다.
루빈스키는 또한 "우리는 생물학 분야에 공학의 정수를 도입했다. 우리는 주변의 다른 세포에 영향을 주지 않고 DNA 를 완전히 도입하고, 단백질을 추출하고, 약물을 주사할 수 있다. "
세포 칩의 출현은 오래된 이론과 관련이 있다. 즉, 일정량의 전압이 세포막을 관통할 수 있다는 것이다.
여러 해 동안 과학자들은 새로운 요법과 유전자 물질을 도입하기 위해 전기 폭격 세포 실험에 대한 유전자 연구를 해 왔다. 연구원들은 결국 근육에서 뼈까지 다양한 신체 조직을 활성화하는 데 필요한 정확한 전압량과 호환되는 세포 칩을 생산하기를 원한다. 이 경우 수천 개의 세포 칩이 각종 질병을 치료하는 데 사용될 것이다.
3. 우리나라 최초로 오리지널 기술을 응용하여 자체 개발한 유전자 칩이 최근 제 1 군의대에서 정식으로 탄생했다.
제 1 군의대 관계자에 따르면 이번 군의대 연구개발에 성공한 유전자 칩은 우리나라 최초로 혁신적인 유전자 칩 증폭 기술을 적용해 대륙동행이 유전자 칩 연구에서 직면한 수만 개의 유전자 프로브를 신속하고 경제적으로 채집하는 난제를 극복하고 새로운 기술 수단을 교묘하게 활용해 비용을 크게 절감했다고 한다.
현재, 이 칩은 이미 실험실 작업을 마쳤으며, 곧 임상 검증 단계에 들어갈 것이다. 잘 진행되면 임상 진단을 위한 유전자 칩이 곧 양산될 전망이다. 그러나 지금까지 임상 진단을 위한 유전자 칩 생산은 국제적으로 없었다.
실험실에서는 엄지손가락 커버보다 약간 큰 유전자 칩이 탐지기에 놓여 있고, 연결된 컴퓨터 화면에는 바로 가로세로 엇갈린 빨강, 녹색, 형광점이 유전자 조각의 점으로 나타난다. 환자의 피 한 방울을 칩 검사 카드에 놓고 분자교배를 거쳐 컴퓨터에 연결하면 유전자 변화가 즉시 나타나 컴퓨터를 통해 유전자 언어를 의사가 이해할 수 있는 정보로 번역해 질병에 대한 정확한 진단을 내릴 수 있다.
이 칩의 성공적인 탄생은 질병에 대한 진단이 세포와 조직 수준에서 유전자 수준으로 올라간 것을 상징한다. 이들의 개발과 응용은 환경오염 통제, 동식물 검역, 장기 이식, 산전 진단, 약물 선별, 약물 개발 등에 대한 광범위한 전망을 보여줄 것이다.
다섯째, 생명과학이 점차 IT 사의 관심의 초점이 되고 있다.
인간 게놈 스케치가 완성되었다는 소식은 알리바바의 보물 문을 열었고, 유전자 기술을 핵심으로 한 생명과학 시장은 점점 더 많은 골드러시를 끌어들이고 있다. 최근 골드러시들을 위해 삽을 생산하는 정보기술 (IT) 회사의 적극적인 행동이 큰 관심을 끌고 있다.
1, 유전자의 수수께끼를 풀려면 대량의 데이터를 해독해야 한다.
인간 게놈의 스케치는 생명의 책만 읽지만, 그것을 진정으로 이해하고 모든 유전자 비밀번호가 나타내는 정보를 드러내려면 대량의 데이터를 해독해야 한다.
영국의 유명한 산그 센터에서는 인간 게놈에 대한 데이터가 이미 22 조 바이트에 달하며 세계 최고의 국회 도서관 내용의 두 배 이상이다. 이 센터의 추산에 따르면 향후 2 ~ 3 년 안에 인간 게놈과 관련된 데이터의 양은 50 조에서 100 조 바이트로 증가할 것으로 전망된다.
2. 생명과학회사 10% 투자는 정보기술 발전에 쓰인다.
데이터 처리에 필요한 거대한 컴퓨팅 능력 문제를 해결하기 위해 세계 최대 12 개 생명과학회사는 현재 10% 에 가까운 연구예산을 정보기술에 사용하고 있으며 이 비율은 증가할 것으로 보인다.
IBM 에 따르면 생명과학과 관련된 정보기술 시장은 올해 35 억 달러, 2003 년에는 90 억 달러에 이를 것으로 전망된다.
시장 잠재력이 크다.
몇몇 유명 IT 회사들은 이미 이 거대한 잠재 시장에 눈을 돌렸다. 예를 들어 IBM 은 5 년 안에 6543 억 8 천만 달러를 투자하여' 블루 유전자' 라는 슈퍼컴퓨터를 개발하기로 했다.
블루 유전자' 의 컴퓨팅 능력은 미국에서 가장 빠른 40 대의 슈퍼컴퓨터보다 40 배 더 많을 것이다. 주로 인체 단백질이 특수한 모양으로 접히는 과정을 시뮬레이션하는 데 쓰인다. 세계 최대의 개인용 컴퓨터 제조업체인 컴퍼니도 이' 비계' 를 노리고 있다.
4. 컴백은 가능한 한 빨리 미래의 고객층을 양성해야 한다.
생명과학 분야 컴퓨터 서버의 주요 공급업체로 자리매김한 컴백은 최근 6543 억 8 천만 달러를 계속 투자하여 신흥 생명기술회사를 지원하여 미래의 고객층을 육성할 것이라고 발표했다.
사실, IT 기업들은 이러한 단기적인 이익만을 바라보는 것이 아닙니다. 사람들은 유전자 연구에 기반한 생물경제가 새로운 세기의 새로운 경제의 중요한 부분이 될 수 있다는 것을 깨달았다.
5. 업계 표준 제정자들은 엄청난 경제적 이익을 누릴 수 있다.
과거의 경험에 따르면 시장에 최초로 진출한 회사들은 대부분 업계 표준의 제정자가 될 수 있으며, 이는 종종 막대한 경제적 이익을 의미한다.
올해 8 월, 독일 사자 생명과학사 주식이 상장되었다. 투자자가 이 회사의 유전자 서열 검색 시스템 (SRS) 이 새로운 업계 표준이 될 수 있다는 점을 마음에 들어 주가가 단시간에 50% 급등했다.
정부는 유전자 연구를 지원합니다.
IT 는 생명과학 분야에 진출하여 각국 정부의 유전자 연구에 대한 지지와 불가분의 관계에 있다. 게놈 연구의 다음 단계인 단백질 구조 분석의 국제 경쟁에서 선두를 유지하기 위해 많은 국가들이 정보산업과 생물산업의 결합을 촉진하는 조치를 적극적으로 취하고 있다.
예를 들어, 얼마 전 일본은 제약, 식품, 생물, 화학 등 유전자 과학 관련 기업뿐만 아니라 많은 컴퓨터 회사들도 참여하는' 생물산업 정보화 연구재단' 을 조직했습니다.
요약: 과학계는 바이오칩 기술이 다음 세기에 생명과학과 의학 연구에 혁명을 가져올 것이라고 공인하고 있다. 현재 중국 과학자들은 이 신기술의 개발을 가속화하고 있으며, 이는 DNA 를 빠르고 쉽게 추출하여 유전적 특징을 찾을 수 있을 것이다. 나는 현대생물학과 하이테크의 결혼이 2 1 세기의 발전에 큰 기여를 할 것이라고 믿는다!