GeoChip

简介

为什么是GeoChip？

GeoChip

GeoChip是一种高通量基因芯片，用于分析微生物群落，并研究其群落结构对生态系统的作用。该高通量基因芯片，包括了编码参与主要地球化学循环（如，碳循环、氮循环、金属抗性、有机物降解、硫循环和磷循环等）的微生物酶类的寡聚核苷酸探针。该芯片由华裔微生物生态学家周集中教授研发，近来来，将其应用于全球气候变化对微生物群落影响的研究、油田污染物对微生物生态的影响、矿山酸性矿坑水中微生物群落功能结构的分析等领域。

简介

*GeoChip是一种强大的、高通量的宏基因组学分析工具，其用于分析微生物群落结构、多样性，揭示微生物群落的代谢途径和分析微生物对生态系统的影响。

*GeoChip荣获美国R&D杂志2009年颁发的R&D100 奖，该奖项每年选出100项最具创新的科学技术。

*同GeoChip一起，基因芯片特异性，敏感性，探针设计，计算机程序支持和目标DNA、RNA放大等研究，均得到了长足的发展。

微生物，一群多样性最高的生命形式，在地球化学循环（碳循环，氮循环，硫循环，磷循环和金属循环等）中承担着重要的生态功能。微生物复杂的群落结构，功能，相互作用和动态变化对我们的生活非常重要。例如，动植物流行病的爆发，生化攻击或者气候变化将给我们生存的环境带来灾难性的后果。尽管弄清楚环境中有什么微生物以及他们在干什么，但是，用显微镜来数和辨别他们是非常困难的，所以要精确的定量研究甚至精确的预测微生物的行为，是一个极大的挑战。

然而，新近发展起来的大规模，高通量的宏基因组学技术，包括GeoChip功能基因芯片，使得从特定时空分析微生物群落成为可能。有了这些新工具，生态学家将不在因为手头上只有少量数据而需要回答一个生态学问题而泄气了。大规模宏基因组学测序和高通量功能基因芯片技术使之成为可能。这些新技术极大的拓展了微生物生态学领域。

为什么是GeoChip？

研究者在检测，识别，定性和定量微生物群落时，一般会遇到以下几个大的挑战。第一，微生物群落多样性非常高，不管实在土壤，水体，食品或是我们的身体。如何描述这种巨大的多样性和理解其机制都是非常困难的。同时，超过99%的微生物是不能被培养的。而且，尽管微生物参与了多个生态过程，但是，微生物多样性和其在生态系统中的功能仍然不清楚。造成这个问题的主要症结在于缺乏在特定时空下微生物群落的足够信息。

要评价自然状态下的微生物群落结构、功能和动态，检测手段需要具备以下几个特点：第一，简单、快速并且粗放；第二，特异并且敏感，而且要对目标微生物有光谱性；第三，能够在较宽动态范围内精确的定量；第四，能够用较高的分辨率检测微生物功能；第五，具备高通量且能够平行分析；第六，能够可靠的对来自不同地点，不同实验，不同实验室和不同时间的样品进行分析；第七，性价比高。

传统的培养技术仅仅提供了非常有限的微生物多样性和功能的信息。同时，尽管这些研究结果也很有价值，但是常见的核酸检测手段，比如基于16S rRNA基因克隆分析方法，变性梯度凝胶电泳，末端终止限制性酶切片段长度多态性，定量PCR,和原位杂交，也不能满足这些分析需求。每一种基于基因分析的分子手段费时费力、低通量、低分辨率、不能定量或者仅能提供有限的功能信息。

尽管基因芯片在基因表达研究中是一个强大的工具，但是，将其运用到环境微生物研究领域，仍然存在这很多挑战，诸如探针设计，基因序列覆盖范围，特异性，敏感性和定量。为了解决这些问题，一种特殊的基因芯片，功能基因芯片应运而生并被广泛应用。功能基因芯片包含了涉及到微生物所参与的各种过程的主要编码酶的基因序列的探针，它在将微生物多样性和微生物功能联系在一起的研究领域非常有用，因为基因芯片涵盖了功能已知的基因。在已知的基因芯片中，GeoChip是在生物地球化学，生态学和环境分析中最适用的。

包括涉及到碳循环，氮循环，磷循环，硫循环，各种金属抗性，抗生素抗性，有机污染物降解和能量传递等基因探针，并且有基于gyrB的系统发育分析标记。当前的GeoChip版本包括70,000功能基因，超过400功能基因类别。阳性控制来自于核糖体基因，阴性控制来自于人类，植物和超嗜热菌基因。