2. Các cải tiến loại ha
2.4Glycan array
Với trên 50% protein mang các chuỗi glycan (olygosaccharide), glycomics và proteomics cùng nổi lên với vai trò là hai lĩnh vực nghiên cứu phát triển sau kỷ nguyên genomics. Các tương tác carbonhydrate-protein trong oligosaccharide liên kết protein đặc hiệu và các protein gắn bổ sung của chúng thường liên quan trực tiếp đến rất nhiều quá trình sinh học khác nhau. Các tương tác này xảy ra trong tế bào, trên bề mặt tế bào, trong chất nền (matrix) ngoại bào hoặc trong các chất tiết (secrection) [89]. Chúng tham gia vào quá trình gấp nếp của protein mới sinh trong lưới nội chất, quá trình enzyme lysosomal mới tổng hợp hướng tới nơi đến chính xác của chúng và quá trình hoạt hoá tế bào trong cơ chế viêm cũng như sự bám dính của vi khuẩn với các tế bào chủ.
Chính vì glycan đóng cai trò rất quan trọng trong nhiều quá trình sinh học như vậy mà người ta đã phát triển một loại mảng mới là glycan array. Ở đó, sử dụng chất sử dụng cơ chất là phiến kính thuỷ tinh bọc nitrocellulose, nhựa plastic, phiến kính phủ vàng [90], phiến kính thuỷ tinh hoạt hoá thiol-, đĩa silica-gel hay giếng chuẩn nhỏ thuỷ tinh (plastic microtitre well). Mẫu dò có thể là glycoprotein, polysacchride, mono hay oligosaccharide [89].
Dùng các phương pháp hoá học để gắn mẫu dò đã tổng hợp từ trước với với mảng. Sau đó cho dung dịch chứa protein đích đi qua và xác định dấu hiệu lai bằng các phương pháp thích hợp (hình 23).
▲Hình 23: Sơ đồ quá trình chế tạo và sử dụng glycan array [Theo 89].
Blixta và cộng sự (2004) đã sử dụng glyco array để phân tích hầu hết các nhóm GBP (glycan binding protein) quan trọng bao gồm lectin động vật (lectin loại C, galectin, và siglec), lectin thực vật, lectin của vi khuẩn và virus, và các virus nguyên vẹn [90]. Kết quả cho thấy có thể dùng glyco array để xác định virus HIV-1, virus cúm (influenza virus).
2.5 Protein array
Gần đây, một số nhóm nghiên cứu đã phát triển protein microarray để phân tích đồng thời nhiều protein. Protein microarray chứa một lượng nhỏ protein tinh khiết trên một mảng với mật độ lớn. Các protein có thể được sàng lọc với hiệu suất cao cho hoạt tính hoá sinh, các tương tác protein-protein, protein-DNA, protein-RNA và protein-phối tử [91].
Trong kỹ thuật protein array, phiến kính thuỷ tinh là cơ chất, trên đó gắn hàng ngàn mẫu dò protein. Sau đó cho mẫu sinh học đi qua chip và đánh giá hiệu quả gắn [92]. Mặc dù kỹ thuật protein chip không phát triển mạnh như DNA array, sự cải thiện của chúng chắc chắn sẽ xảy ra vì protein là trung gian của hầu hết các chức năng của tế bào. Do đó protein chip là các công cụ
được dành để xác định các cơ sở phân tử của bệnh, cơ chế cơ bản của hoạt tính thuốc và độc tính [92].
Bảng 3: Các loại protein microarray [93].
Một số thách thức quan trọng của kỹ thuật protein chip là:
- Tìm kiếm bề mặt hoá học thích hợp để cố định các protein có cấu trúc và chức năng khác nhau lớn mà vẫn giữ được cấu trúc bậc hai và bậc ba có hoạt tính sinh học của chúng [92]. - Xác định và phân lập các chất bắt giữ thích hợp (như kháng thể) của protein quan tâm [92]. - Phương pháp phát hiện đủ nhạy và sự giám sát đánh giá rộng mức độ gắn protein [94; 92]. - Khả năng thu lại protein đã phát hiện từ chip và phân tích nó tiếp theo nếu cần [92].
- Dải động học phát hiện lớn để bao phủ dải rộng được thể hiện bởi các nồng độ protein khác nhau [92].
- Không có phương pháp khuếch đại như kiểu PCR để khuếch đại protein [94; 92]. Gắn protein trên mảng
Giống như DNA microarray, protein array được tạo ra trên cơ chất thuỷ tinh hoặc silicon cái được xử lý với aldehyde hoặc các chất khác để cố định protein bắt giữ như kháng thể bằng các biến đổi hoá học. Một số cách khác dùng để tạo ra mảng protein là sử dụng các lớp nhôm hoặc vàng, các polyme ưa nước và polyacrylamide gel để cố định các chất bắt giữ [92].
Các chất bắt giữ
Các kháng thể được cố định thường được sử dụng như các chất bắt giữ. Protein chip gồm một mảng chứa các kháng thể (đơn dòng, đa dòng, các đoạn kháng thể). Các chất bắt giữ khác được
sử dụng là các aptamer (các axit nucleic mạch đơn tạo phức với protein) và các oligonucleotide gắn đặc hiệu với protein [92].
Phát hiện
Phương pháp phát hiện huỳnh quang được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên điều này cần đánh dấu các protein bằng fluorochrome. Rủi ro là sự gắn với chất này có thể thay đổi tính ổn định gắn của protein với chất bắt giữ được cố định [92].
▲Hình 25: Gắn protein lên giá thể [Theo 11].
Nettikadan và cộng sự (2003) đã tạo ra ViriChip để xác định bacteriophage fd, các loại canine parvovirus và coxsackievirus B3 Nancy [95]. Trong đó, các miền kháng thể bắt giữ đặc hiệu những vị trí xác định của virus được đặt trên mảng. Phát hiện virus gắn trên mảng bằng kính hiển vi năng lượng nguyên tử (atomic force microscopy, ATM). Kỹ thuật này cho phép xác định nhanh, không cần đánh dấu hay khuếch đại đích. ViriChip có tính đặc hiệu rất cao do dựa trên phản ứng kháng nguyên-kháng thể, độ nhạy cũng cao với dải nồng độ phát hiện virus là 108 đến 1012 pfu/ml. ViriChip có thể xác định đồng thời 5 loại virus trong thời gian chưa đến 1 giờ [95].
PHẦN III_ KẾT LUẬN PHẦN III_ KẾT LUẬN
Như vậy, có thể thấy rằng hiện ngày càng có nhiều kỹ thuật array mới được phát triển nhằm giải quyết các vấn đề phức tạp trong sinh học phân tử, y học, di truyền học... Và việc áp dụng những tiến bộ đó vào quản lý môi trường cũng không nằm ngoài vòng xoáy phát triển.
Trong bài viết này, tôi đã cố gắng trình bày những kỹ thuật array mới nhất. Mặc dù một số kỹ thuật tôi trình bày ở đây vì quá mới nên cho đến nay chưa được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực môi trường. Tuy nhiên, khả năng giải quyết các vấn đề môi trường phức tạp và đa dạng của nó trong tương lai là không thể phủ nhận.
Có thể nhận định rằng, chỉ vài năm nữa thôi, tốc độ phát triển và tính khả dụng của microarray sẽ không thua kém sự phát triển và khả năng ứng dụng thần kỹ của kỹ thuật PCR trước đây.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Rampal, J. B. 2001. DNA Arrays: Methods and Protocols. 1 ed. Totowa, NJ: Humana Press. 2. Debouck, C., and P. N. Goodfellow. 1999. DNA microarrays in drug discovery and development. Nature genetics supplement. 21:48-50.
3. Schena, M., D. Shalon, R. Heller, A. Chai, P. O. Brown, and R. W. Davis. 1996. Parallel human genome analysis: microarray-based expression monitoring of 1000 genes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 93:10614-10619.
4. Hacia, J. G. 1999. Resequencing and mutational analysis using oligonucleotide microarrays. Nature genetics supplement. 21:42-47.
5. Guschin, D. Y., B. K. Mobarry, D. Proudnikov, D. A. Stahl, B. E. Rittmann, and A. D. Mirzabekov. 1997. Oligonucleotide Microchips as Genosensors for Determinative and Environmental Studies in Microbiology. Appl. Environ. Microbiol. 63:2397-2402. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
6. Small, J., D. R. Call, F. J. Brockman, T. M. Straub, and D. P. Chandler. 2001. Direct detection of 16S rRNA in soil extracts by using oligonucleotide microarrays. Appl. Environ. Microbiol. 67:4708-4716.
7. Lorkowski, S., and P. Cullen. 2004. Analysing Gene Expression: Possibilities and Pitfalls. 1 ed. New York: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA. 950 p.
8. Hasseman, J., and D. Gershon. 2002. Microarray technology-An array of opportunities. Nature. 416:885-891.
9. Shi, L., W. Hu, Z. Su, X. Lu, and W. Tong. 2003. Microarrays: technologies and applications. App. Mycol. Biotech. 3:3:1-27.
10. Schena, M., and R. W. Davis. Gene, genomes, and chips. In: Lorkowski, S., P. Cullen eds. Analysing Gene Expression Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA: 2004:411-413. 11. Stears, R. L., T. Martinsky, and M. Schena. 2003. Trends in microarray analysis. Nature medicine. 9:140-145.
12. Gabig, M., and G. Wegrzyn. 2001. An introduction to DNA chips: principles, technology, applications and analysis. Acta biochimia polonica. 48:615-622.
13. Schena, M., D. Shalon, R. W. Davis, and P. O. Brown. 1995. Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray.
14. Lipshutz, R. J., S. P. A. Fodor, T. R. Gingeras, and D. J. Lockhart. 1999. High density synthetic oligonucleotide arrays. Nature genetics supplement. 21:20-24.
15. McGall, G., J. Labadie, P. Brock, G. Wallraff, T. Nguyen, and W. Hinsberg. 1996. Light- directed synthesis of high-density oligonucleotide arrays using semiconductor photoresists. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 93:13555-13560.
16. Theriault, T. P., S. C. Winder, and R. C. Gamble. 1999. Application of ink-jet printing technology to the manufacture of molecular arrays. In: Lorkowski, S., P. Cullen eds. Analysing Gene Expression Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA: 2004:420-423.
17. Hal, N. L. W. V., O. Vorst, A. M. M. L. v. Houwelingen, E. J. Kok, A. Peijnenburg, A. Aharoni, A. J. v. Tunen, and J. Keijer. 2000. The application of DNA microarrays in gene expression. J. Biotech. 78:271-280.
18. Gracey, A. Y., and A. R. Cossins. 2003. Application of microarray technology in environmental and comparative physiology. Annu. Rev. Physiol. 65:231-259.
19. Hu, G. K., S. J. Madore, B. Moldover, T. Jatkoe, D. Balaban, J. Thomas, and Y. Wang. 2001. Predicting splice variant from DNA chip expression data. Genome research. 11:1237- 1245.
20. Yang, Y. H., S. Dudoit, P. Luu, D. M. Lin, V. Peng, J. Ngai, and T. P. Speed. 2002. Normalization for cDNA microarray data: a robust compositemethod addressing single andmultiple slide systematic variation. Nucleic Acids Research. 30:e15.
21. Kohane, I. S., A. T. Kho, and A. J. Butte. 2003. Microarray for an integrative genomics. 1 ed. Massachusetts: MIT Press Cambridge. 236 p.
beyond: completing the journey from tissue to cell. Nature cell biology. 3:175-178.
23. Ochs, M. E., and A. K. Godwin. 2003. Microarrays in cancer: research and applications. BioTechniques. 34.
24. Zhou, J. Z., and D. K. Thompson. 2002. Challenges in applying microarrays to environmental studies. In: Cook, K. L., G. S. Sayler eds. Current Opinion in Biotechnology 2003. 14:311-318.
25. Cook, K. L., and G. S. Sayler. 2003. Environmental application of array technology: promise, problems and practicalities. Current Opinion in Biotechnology. 14:311-318. 26. Wu, L., D. K. Thompson, G. Li, R. A. Hurt, J. M. Tiedje, and J. Zhou. 2001.
Development and evaluation of functional gene arrays for detection of selected genes in the environment. Appl. Environ. Microbiol. 67:5780-5790.
27. Loy, A., A. Lehner, N. Lee, J. Adamczyk, H. Meier, J. Ernst, K. H. Schleifer, and M. Wagner. 2002. Oligonucleotide microarray for 16S rRNA gene-based detection of all recognized lineages of sulfate-reducing prokaryotes in the environment. Appl. Environ. Microbiol. 68:5064-5081.
28. Cottrell, M. T., and D. L. Kirchman. 2000. Community composition of marine bacterioplankton determined by 16S rRNA gene clone libraries and fluorescence in situ hybridization. Appl. Environ. Microbiol. 66:5116-5122.
29. Shalon, D., S. J. Smith, P. O. Brown. 1996. A DNA microarray system for analyzing complex DNA samples using two-color fluorescent probe hybridization. In: Cook, K. L., G. S. Sayler eds. Environmental application of array technology: promise, problems and practicalities Current Opinion in Biotechnology: 2003. 14:311-318.
30. Cho, J. C., and J. M. Tiejde. 2001. Bacterial species determination from DNA-DNA hybridization by using genome fragments and DNA microarrays. Appl. Environ. Microbiol. 67:3677-3682.
31. Cho, J. C., and J. M. Tiedje. 2002. Quantitative detection of microbial genes by using DNA microarrays. Appl. Environ. Microbiol. 68:1425-1430.
32. Urakawa, H., P. A. Noble, S. E. Fantroussi, J. J. Kelly, and D. A. Stahl. 2002. Single- base-pair discrimination of terminal mismatches by using oligonucleotide microarrays and neural network analyses. Appl. Environ. Microbiol. 68:235–244.
33. Blalock, E. M. 2003. A Beginner's Guide to Microarrays. 1th ed. New York: Kluwer. 34. Rudi, K., O. M. Skulberg, R. Skulberg, and K. S. Jakobsen. 2000. Application of sequence-specific labeled 16S rRNA gene oligonucleotide probes for genetic profiling of Cyanobacterial abundance and diversity by array hybridization. Appl. Environ. Microbiol. 66:4004-4011.
35. Reyes-Lopez, M. A., A. Mendez-Tenorio, R. Maldonado-Rodriguez, M. J. Doktycz, J. T. Fleming, and K. L. Beattie. 2003. Fingerprinting of prokaryotic 16S rRNA genes using
oligodeoxyribonucleotide microarrays and virtual hybridization. Nucleic Acids Research. 31:779-789.
36. Bodrossy, L., N. S. Pavese, J. C. Murrell, S. Radajewski, A. Weilharter, and A. Sessitsch. 2003. Development and validation of a diagnostic microbial microarray for methanotrophs. Environmental Microbiology. 5:566-582. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
37. Fukushima, M., K. Kakinuma, H. Hayashi, H. Nagai, K. Ito, and R. Kawaguchi. 2003. Detection and identification of Mycobacterium species isolates by DNA microarray. J. clinical microbiol. 41:2605-2615.
38. Gonzalez, S. F., M. J. Krug, M. E. Nielsen, Y. Santos, and D. R. Call. 2004. Simultaneous detection of marine fish pathogens by using multiplex PCR and a DNA microarray. J. clinical microbiol. 42:1414-1419.
39. Valinsky, L., G. D. Vedova, A. J. Scupham, S. Alvey, A. Figueroa, B. Yin, R. J. Hartin, M. Chrobak, D. E. Crowley et al. 2002. Analysis of bacterial community composition by oligonucleotide fingerprinting of rRNA genes. Appl. Environ. Microbiol. 68:3243-3250.
40. Yuea, J., W. Shia, J. Xiea, Y. Lia, E. Zenga, L. Liangc, and H. Wang. 2004. Detection of rifampin-resistant Mycobacterium tuberculosis strains by using a specialized oligonucleotide microarray. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease. 48:47-54.
41. Zhaohui, S., Z. Wenling, Z. Bao, S. Rong, and M. Wenli. 2004. Microarrays for the detection of HBV and HDV. J. Biochem. Mol. Biol. 37:546-551.
42. Rudi, K., S. L. Flateland, J. F. Hanssen, G. Bengtsson, and H. Nissen. 2002.
Development and evaluation of a 16S Ribosomal DNA array-based approach for describing complex microbial communities in ready-to-eat vegetable salads packed in a modified atmosphere. Appl. Environ. Microbiol. 68:1146-1156.
43. Chizhikov, V., M. Wagner, A. Ivshina, Y. Hoshino, A. Z. Kapikian, and K. Chumakov. 2002. Detection and genotyping of human group a Rotaviruses by oligonucleotide microarray hybridization. J. clinical microbiol. 40:2398-2407.
44. Mikhailovich, V., S. Lapa, D. Gryadunov, A. Sobolev, B. Strizhkov, N. Chernyh, O. Skotnikova, O. Irtuganova, A. Moroz et al. 2001. Identification of rifampin-resistant
Mycobacterium tuberculosis strains by hybridization, PCR, and ligase detection reaction on oligonucleotide microchips. J. clinical microbiol. 39:2531-2540.
45. Lapa, S., M. Mikheev, S. Shchelkunov, V. Mikhailovich, A. Sobolev, V. Blinov, I. Babkin, A. Guskov, E. Sokunova et al. 2002. Species-level identification of orthopoxviruses with an oligonucleotide microchip. In: Blalock, E. M. ed. Beginner's Guide to Microarrays New York: Kluwer.
46. Koizumi, Y., J. J. Kelly, T. Nakagawa, H. Urakawa, S. El-Fantroussi, S. Al-Muzaini, M. Fukui, Y. Urushigawa, and D. A. Stahl. 2002. Parallel characterization of anaerobic toluene- and ethylbenzene-degrading microbial consortia by PCR-denaturing gradient gel
electrophoresis, RNA-DNA membrane hybridization, and DNA microarray technology. Appl. Environ. Microbiol. 68:3215-3225.
47. Anthony, R. M., T. J. Brown, and G. L. French. 2000. Rapid diagnosis of bacteremia by universal amplification of 23S ribosomal DNA followed by hybridization to an oligonucleotide array. J. clinical microbiol. 38:781-788.
48. Behr, T., C. Koob, M. Schedl, A. Mehlen, H. Meier, D. Knopp, E. Frahm, U. Obst, K. Schleifer et al. 2003. A nested array of rRNA targeted probes for the detection and
identification of enterococci by reverse hybridization. In: Blalock, E. M. ed. A Beginner's Guide to Microarrays New York: Kluwer.
49. Wilson, K. H., W. J. Wilson, J. L. Radosevich, T. Z. DeSantis, V. S. Viswanathan, T. A. Kuczmarski, and G. L. Andersen. 2002. High-Density Microarray of Small-Subunit Ribosomal DNA Probes. Appl. Environ. Microbiol. 68:2535-2541.
50. Sengupta, S., K. Onodera, A. Lai, and U. Melcher. 2003. Molecular Detection and Identification of Influenza Viruses by Oligonucleotide Microarray Hybridization. J. clinical microbiol. 41:4542-4550.
51. Straub, T. M., D. S. Daly, S. Wunshel, P. A. Rochelle, R. DeLeon, and D. P. Chandler. 2002. Genotyping Cryptosporidium parvum with an hsp70 single-nucleotide polymorphism microarray. Appl. Environ. Microbiol. 68:1817-1826.
52. Wang, R. F., M. L. Beggs, L. H. Robertson, and C. E. Cerniglia. 2002. Design and evaluation of oligonucleotide-microarray method for the detection of human intestinal bacteria in fecal samples. FEMS. Microbiol. Lett. 213:175-182.
53. Wilson, W. J., C. L. Strout, T. Z. DeSantis, J. L. Stilwell, A. V. Carrano, and G. L. Andersen. 2002. Sequence-specific identification of 18 pathogenic microorganisms using microarray technology. Mol Cell Probes. 16:119-127.
54. Wang, D., L. Coscoy, M. Zylberberg, P. C. Avila, H. A. Boushey, D. Ganem, and J. L. Derisi. 2002. Microarray-based detection and genotyping of viral pathogens. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99:15687-15692.
T. N. Nazina, V. S. Ivoilov, S. S. Belyaev, E. S. Boulygina, Y. P. Lysov et al. 2003.
Radioisotopic, culture-based, and oligonucleotide microchip analyses of thermophilic microbial communities in a continental high-temperature petroleum reservoir. Appl. Environ. Microbiol. 69:6143-6151.
56. Volokhov, D., A. Rasooly, K. Chumakov, and V. Chizhikov. 2002. Identification of Listeria species by microarray-based assay. J. Clin. Microbiol. 40:4720-4728.
57. Kakinuma, K., M. Fukushima, and R. Kawaguchi. 2003. Detection and identification of Escherichia coli, Shigella, and Salmonella by microarrays using the gyrB gene. Biotechnol.