Science专题：蛋白质芯片技术（上）

本周《科学》（Science）的一篇专题文章聚焦了蛋白质芯片（protein array）技术，其中略微谈到了美国亚利桑纳州立大学生物设计学院（Biodesign Institute）Virginia G. Piper个体化诊断中心主任Joshua LaBaer开展的一项研究。

随着人类基因组计划（Human Genome Project）的顺利完成，科学家们将研究日益聚焦到蛋白质上。蛋白质这一由遗传模板生产出的万能产物，在维持健康和疾病发生中均发挥着主要作用。蛋白质微阵列（Protein microarray）在生成DNA和蛋白质组的核苷酸序列分析的缺口上搭起了一座桥梁。

研究人员正在利用蛋白质微阵列来开发出早期疾病的检测方法，尤其是对于占国家大部分医疗保健开支的慢性疾病。在早期、症状出现前阶段鉴别出糖尿病、冠心病、充血性心力衰竭和各种癌症的征兆，提供治疗成败的最佳预测，大大降低医疗费用。

“蛋白质是生物学机器。疾病几乎总是由于蛋白质功能异常所导致，大多数的药物设计也是旨在影响蛋白质的功能。蛋白质微阵列使得我们能够同时检测成千上万的蛋白质的生物化学特性，”LaBaer.说。

尽管基因组为构建生命系统提供了指导手册，蛋白质仍是真正的分子主力，忠实地履行基因组的指令，同时还在无数的环境影响下改变它们的行为。蛋白质为细胞和组织提供了结构，促进了细胞内部和细胞间的信号传递，充当受体，催化酶活性，执行免疫功能，并执行其他无数的生物学任务。

因此，更深入地了解蛋白质组对于诊断医学，尤其是建立生物标记物（表明早期疾病状态的症状出现前指示物，可检测到的血液中蛋白质成分）是至关重要的。LaBaer研究小组正在致力于发现一系列致命性疾病包括乳腺癌、卵巢癌、肺癌和口咽癌；I型糖尿病和各种传染性病原体的生物标记物。

直至近来，研究蛋白质的复杂性仍是一个艰巨的任务。蛋白质微阵列通常包含一个蛋白质库，它以2D可设定位置的网格格式固定在一个载玻片或是芯片上。这类芯片是通过表达和精心纯化蛋白，然后将它们印在载玻片表面而制造成。一旦将蛋白质库铺在在一张芯片上，就可以利用这种高通量的技术来研究蛋白质的行为。

类似的芯片长期被应用于研究DNA，生成了对于基因组的源源不断的新认识，在某些情况下提供了快速准确的诊断工具。研究人员想要用蛋白质芯片技术来重复DNA芯片取得的成功，然而目前仍有一些障碍存在。相比于核苷酸，蛋白质显示出极大的结构多样性和复杂性。蛋白质的合成、稳定和纯化往往是非常艰巨的工作。将蛋白质充分附着在芯片表面相当的棘手，且随后通过结合事件检测这些蛋白也比核酸芯片的情况要复杂的多。