基于微流控芯片技术的生物化学研究

　　0引言

　　"数字化"在化学和生物学中是指自然系统相应某种信号在不连续的状态之间切换的现象（例如结合或不结合凝结或不凝结、激活或不激活、分化或不分化），导致切换的信号可能是多种生物分子，如碳水化合物、蛋白质、核酸、自身诱导物，也可能是氧化还原电位梯度等.

　　导致的切换既可以发生在整个反应系统及其网络中，也可以发生在单个细胞内。生物化学中的"数字化"同计算机中的"数字"有所不同但也有类似.计算机中的"数字"指的是二进制代码0和1的存储和操作。

　　而生物化学反应中，"切换"是指在一个较小的输入范围中出现一个急剧的（通常是反曲线函数的）输出量的变化.这种变化会导致在一定的信号阈值以上时某些物质浓度随时间积累或者积累某些特定事件（例如DNA突变），从而增加机体的适应性，使生物在环境的选择压力下，切换到另一状态.

　　微流控芯片技术是数字化生物化学研究的重要技术，基于微流控芯片技术的生物化学研究从其目的划分主要有2个领域：对自然界切换系统的研究及对单个生物实体的研究.

　　1利用微流控芯片技术研究切换系统

　　在自然界中的切换现象非常普遍并为人所熟知，它们在自然系统以多种形式出现.

　　自然切换系统和单个生物实体的研究如图1所示。

　　A左：信号切换的示意图。切换的定义是在一个狭窄的输入信号范围内有一个急剧的输出值变化。在该例子中，输入信号的浓度超过一定的阈值（α）会导致输出值发生急剧变化（即"切换"）达到γ。切换的锐度可以通过α和γ来表征。

　　A右：梯度输入转换为数字输出的示意图。

　　B左：含有多种单一生物实体的混合物的示意图（如分子或细胞）.B右：示意图显示，生物实体可以使用微流控装置实现单一分配，从而更容易检出和分析.

　　切换系统的2个比较简单例子是诱导操纵子（例如lac操纵子通常是"关闭"的，在诱导剂---乳糖的存在下切换成"开启"）和共阻遏蛋白（例如转录阻遏蛋白MBD2,同HDAC和MeCP1形成复合物相关）.

　　当信号超过一定的阈值浓度时，就会引发一个单向的反应，发生系统状态的切换。在比较复杂的系统中，状态的切换过程常有数百个基因和蛋白质相互协调和作用.