《科學(xué)》（Science）的一篇專題文章聚焦了蛋白質(zhì)芯片（protein array）技術(shù)，其中略微談到了美國亞利桑納州立大學(xué)生物設(shè)計學(xué)院（Biodesign Institute）Virginia G. Piper個體化診斷中心主任Joshua LaBaer開展的一項研究。

隨著人類基因組計劃（Human Genome Project）的順利完成，科學(xué)家們將研究日益聚焦到蛋白質(zhì)上。蛋白質(zhì)這一由遺傳模板生產(chǎn)出的產(chǎn)物，在維持健康和疾病發(fā)生中均發(fā)揮著主要作用。蛋白質(zhì)微陣列（Protein microarray）在生成DNA和蛋白質(zhì)組的核苷酸序列分析的缺口上搭起了一座橋梁。

研究人員正在利用蛋白質(zhì)微陣列來開發(fā)出早期疾病的檢測方法，尤其是對于占國家大部分醫(yī)療保健開支的慢性疾病。在早期、癥狀出現(xiàn)前階段鑒別出糖尿病、冠心病、充血性心力衰竭和各種癌癥的征兆，提供治療成敗的*預(yù)測，大大降低醫(yī)療費(fèi)用。

“蛋白質(zhì)是生物學(xué)機(jī)器。疾病幾乎總是由于蛋白質(zhì)功能異常所導(dǎo)致，大多數(shù)的藥物設(shè)計也是旨在影響蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)微陣列使得我們能夠同時檢測成千上萬的蛋白質(zhì)的生物化學(xué)特性，”LaBaer.說。

盡 管基因組為構(gòu)建生命系統(tǒng)提供了指導(dǎo)手冊，蛋白質(zhì)仍是真正的分子主力，忠實(shí)地履行基因組的指令，同時還在無數(shù)的環(huán)境影響下改變它們的行為。蛋白質(zhì)為細(xì)胞和組 織提供了結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了細(xì)胞內(nèi)部和細(xì)胞間的信號傳遞，充當(dāng)受體，催化酶活性，執(zhí)行免疫功能，并執(zhí)行其他無數(shù)的生物學(xué)任務(wù)。

因此，更深入地了解蛋白質(zhì)組對于診斷醫(yī)學(xué)，尤其是建立生物標(biāo)記物（表明早期疾病狀態(tài)的癥狀出現(xiàn)前指示物，可檢測到的血液中蛋白質(zhì)成分）是至關(guān)重要的。LaBaer研究小組正在致力于發(fā)現(xiàn)一系列致命性疾病包括乳腺癌、卵巢癌、肺癌和口咽癌；I型糖尿病和各種傳染性病原體的生物標(biāo)記物。

直至近來，研究蛋白質(zhì)的復(fù)雜性仍是一個艱巨的任務(wù)。蛋白質(zhì)微陣列通常包含一個蛋白質(zhì)庫，它以2D可設(shè)定位置的網(wǎng)格格式固定在一個載玻片或是芯片上。這類芯片是通過表達(dá)和精心純化蛋白，然后將它們印在載玻片表面而制造成。一旦將蛋白質(zhì)庫鋪在在一張芯片上，就可以利用這種高通量的技術(shù)來研究蛋白質(zhì)的行為。

類似的芯片長期被應(yīng)用于研究DNA，生成了對于基因組的*的新認(rèn)識，在某些情況下提供了快速準(zhǔn)確的診斷工具。研究人員想要用蛋白質(zhì)芯片技術(shù)來重復(fù)DNA芯片取得的成功，然而目前仍有一些障礙存在。相比于核苷酸，蛋白質(zhì)顯示出極大的結(jié)構(gòu)多樣性和復(fù)雜性。蛋白質(zhì)的合成、穩(wěn)定和純化往往是非常艱巨的工作。將蛋白質(zhì)充分附著在芯片表面相當(dāng)?shù)募?，且隨后通過結(jié)合事件檢測這些蛋白也比核酸芯片的情況要復(fù)雜的多。

蛋白質(zhì)芯片可以被分為兩大類。一種是所謂的正相芯片（forward phase arrays）， 一種蛋白質(zhì)樣品可用多種試劑進(jìn)行篩選。捕獲蛋白質(zhì)（通常為一種抗體）首先被附著在玻片的表面。當(dāng)將一份檢測樣品遍鋪在芯片上，固定的抗體就可以用來捕獲識 別的抗原。檢測樣本可以是血液、細(xì)胞、細(xì)胞裂解液或是其他一些生物學(xué)標(biāo)本。捕獲的分析物隨后可利用熒光染料直接檢測。這種技術(shù)具有高度特異性，但是非常耗 時。

在反相芯片（reverse phase arrays）中，檢測樣本被直接印在玻片上，然后利用一種熒光偶聯(lián)蛋白質(zhì)例如一種抗體來檢測芯片。這種反相芯片其中的一種關(guān)鍵優(yōu)勢是減少了檢測蛋白質(zhì)抗原所需的抗體探針的量。在當(dāng)前的Science綜述中均討論了這兩種正相和反相芯片的例子。

LaBaer的研究小組利用了一種他們實(shí)驗室設(shè)計的新型蛋白質(zhì)芯片來開展研究工作。這種被稱為核酸可編程蛋白質(zhì)芯片（Nucleic Acid Programmable Protein Array ，NAPPA）的技術(shù)功能特別強(qiáng)大，因為它省卻了芯片應(yīng)用前的蛋白質(zhì)純化需要。并沒有利用自身蛋白，NAPPA技術(shù)將稱為質(zhì)粒的蛋白質(zhì)編碼DNA環(huán)狀片段置于玻片位點(diǎn)上，將DNA芯片技術(shù)的簡單和低成本帶到蛋白質(zhì)組學(xué)的世界中。

在使用芯片前，將體外轉(zhuǎn)錄/翻譯系統(tǒng)作為一種涂層用于玻片上，將每個芯片轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)蛋白質(zhì)的納米級工廠。因為蛋白質(zhì)合成后便立即付諸使用，這樣就可以避免蛋白質(zhì)的穩(wěn)定和純化問題。

“NAPPA的中心概念就是只在測試前時刻生成‘新鮮’的蛋白質(zhì)，利用與蛋白質(zhì)zui相關(guān)的機(jī)器來制造它們。目前我們正利用人類核糖體機(jī)器來生成人類蛋白質(zhì)，”LaBaer說。

目前LaBaer的方法可使2300種基因排列在一個常規(guī)的顯微鏡玻片上。鑒于人類蛋白質(zhì)組如此巨大，包含超過3萬種不同的蛋白質(zhì)，這一技術(shù)需要大約10張陣列玻片來對蛋白質(zhì)組進(jìn)行*取樣。以更高密度定位放置DNA質(zhì)粒需要新的印記技術(shù)來避免鄰近位置的陣列點(diǎn)之間發(fā)生化學(xué)串?dāng)_。利用先進(jìn)的壓電式移液（piezoelectric-pipetting）技術(shù)，研究小組預(yù)計新一代蛋白質(zhì)芯片可以將每張玻片的蛋白質(zhì)密度提高約一個數(shù)量級。

目前，Piper 中心的一張芯片上約有1.4萬個人類蛋白質(zhì)可用于檢測疾病的抗體靶標(biāo)。這一技術(shù)現(xiàn)正用于研究蛋白質(zhì)的翻譯后修飾以鑒別新型的自身抗體。

在蛋白質(zhì)合成過程中或之后可能發(fā)生翻譯后改變，導(dǎo)致對蛋白質(zhì)殘基的修飾。這樣的變化會改變蛋白質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)從而影響它們的形狀和功能。特殊自身抗體的存在可能會發(fā)出癥狀出現(xiàn)前識別疾病抗原的信號，例如惡性腫瘤所生成的那些抗原。近期一項研究鑒別了一組28種抗原，可以80-100%的特異性準(zhǔn)確找出血清中的早發(fā)性乳腺癌。

此外，通過鑒別出與感染性疾病例如霍亂、炭疽和綠膿桿菌相關(guān)的免疫原性蛋白質(zhì)，這項研究還可能有助于加速推動更有效的疫苗進(jìn)入市場。

LaBaer說：“這項工作的關(guān)鍵是在于檢測大量的患者和健康個體以確定哪些反應(yīng)只特異性存在于患者中。zui重要的是要在獨(dú)立實(shí)驗中確證這些研究結(jié)果。”