زیست تراشه

زیست تراشه (Biochip): ۱. نوعی تراشه که قرار است به جای تراشه های سیلیسی به کار رود؛ در مدارهای اصلی این تراشه ها که هنوز مراحل آزمایشگاهی خود را می گذرانند، از مولکول های زنده یا پروتئین ها استفاده می شود و در نتیجه انرژی مصرفی آن ها نزدیک به صفر خواهد بود ۲. در مهندسی پزشکی، نوعی تراشه که در بدن موجود زنده کار گذاشته می شود و می تواند از طریق برق کاف ها به تبادل اطلاعات با اندام های زنده بپردازد.
ریز تراشه زیستی در اولین بررسی یک دستگاه نیمه رسانا است که برپایه ساختار DNA تولید می شود. در بدن انسان DNA زنجیره مولکول های به یکدیگر متصلند که عامل انتقال وراثت و نشانه گذاری محسوب می شوند. تراشه سازان به یک ماده ای نیاز دارند که سرعت زیادی داشته باشد. DNA خیلی شبیه به یک سخت دیسک کامپیوتر است که اطلاعات ثابت را ذخیره می کند. DNA با تراشه کامپیوتر ترکیب شده و سرعت محاسبه را زیاد می کند. از لحاظ سرعت جدا از کامپیوترهایی هستند که تراشه آن از سیلیکون است. با مقدار کم DNA، کامپیوتر می تواند ۱۰ تریلـون بایت اطلاعات نگه دارد و در هر زمان۱۰ تریلیون محاسبه انجام دهد. این دستگاه کوچک در تعاریف نظری شامل مدارات مجتمع (IC) بر پایه (زیرساختار) مولکول های آلی یا ارگان های حیاتی هستند. دو گروه عمده برای ریزتراشه های زیستی در نظر گرفته می شود: گروه اول، یک دستگاه کوچک متشکل از مولکول های آلی بزرگ (مانند پروتئین ها) هستند که قدرت و توان اجرایی انجـام عملیات (ذخیره داده ها، کنترل فرایند) همانند یک کامپیوتر الکترونیکی را دارند و گروه دیگر، یک دستگاه ظریف با توانایی اجرایی سریع و فوری، برای واکنش شیمیایی در ابعاد کوچک در راستای دستیابی و تشخیص زنجیره های ژن، آلودگی محیطی، مسمومیت های هوایی یا سایر مشتقات بیوشیمی به کار می رود. پیشرفت های ریزتراشه ها عامل اصلی رشد سریع صنایع بیوتکنولوژی است که باعث گسترش تحقیقات علمی در زمینه ژن شناسی و پروتئین شناسی و... شده است. از دیگر مزایای این تولیدات، دستیابی دانشمندان به روش های جدید برای درک صحیح از تولیدات بیوشیمی پیچیده، اتفاقات و واکنش های داخل سلولی و نیز درک و درمان بیماری های انسان است. این امر باعث رونق بازار و صنعت تولیدات ریز تراشه های زیستی شده است.تاریخچه ریزتراشه های زیستیپیشرفت و ترقی ریز تراشه ها دارای تاریخ طولانی است. از اوایل شناخت فناوری حسـگرها، یکی از اولین حسگرهای قابل حمل حسگرهای شیمیای بودند. از آن جمله، الکترود شیشه ای PH که در سال ۱۹۲۲ توسط هاگس ، ۱۹۲۲ اختراع شد و برای اندازه گیـری میـزان PH بر اساس اختلاف پتانسیل یون هیدروژن طراحی شده بود. سال ها بعد حسگرهای یون پتاسیم و اکسیژن نیز اختراع شد. اما DNA در سال ۱۹۵۳ مورد توجه واتسون و کریک قرار گرفت و مسیر جدیدی در حسگرها ایجاد کرد. رشد سریع در دو شاخه بیوشیمی و نیمه رساناها باعث تولید ریزتراشه زیستی در سال ۱۹۹۰ شد. هرچند که با تولیدات امروزی فاصله زیادی داشت اما شروع یک حرکت جدید در تولید DNA چیپ ها و ژن چیپ ها شد. امروزه انواع بسـیاری از فنـاوری ریزتراشه های زیستی وجود دارد که در حال پیشرفت یا آغاز نسل نوین هستند. در این نسل DNA، RNA، پروتئین ها و حتی سلول های زنده به عنوان حسگر در ریز تراشه های زیستی به کار گرفته می شوند. ارزش های مادی و کاربردهای این حسگرهای کوچک باعث رونق بازار آن ها شده است.انواع ریزتراشه های زیستیا گسترش و تولیدات ابزارهای نیرومند و دقیق در تولید ریزتراشه ها، امروزه هر دسته از این دستگاه های ریز و بسیار ریز Nano (ِ Macro) برای اهدافی خاص طراحی و تولید می شوند. اگرچه همه آن ها از لحاظ نظری دارای یک ریشه واحد هستند. در ادامه به معرفی مهم ترین دسته ها و کاربردشان به اختصار پرداخته شده است.
ریزتراشه های DNA (DNA Chips)این دسته از ریزتراشه های زیستی که وسیع ترین و پرکاربردترین دستگاه های ریزاندازه در دانش پزشکی هستند و بر اساس استفاده از DNA و rNA طراحیو تولید می شوند، اغلب آن ها را با DNA میـکـرو آرایه (DNA microarray) می شنـاسنـد. ریزتراشه DNA، به طور گسترده، افزایش تعداد ژن هایی که قادر به مطالعه در یک آزمایش هستند. همچنین ایجاد سری های خاص و پیوند زنی قدرت این ریزتراشه را در آنالیزهای ژنی افزایش داده است.
ریز تراشه های پروتینی (Protein Chips)ساختار ریزتراشه های پروتینی یا آرایه های پروتیـنی همـانند ریزتراشه های DNA است با این تفـاوت که نقـش اصلی را پروتئین ها در عملیات بیـولوژی و ارگان های اصلـی بازی می کند. این ریزتراشه ها معمولاً برای آسیب شناسی انسانی در داروشناسی به کار رفته و اساس تحقیقات بیولوژی محـسوب می شوند. بی گمـان ریزتراشه های پروتینی، یکی از مهم ترین روش های ایمنی سنجی (immunoassays) و آنتی بادی (anti body) در سطح تشخیصات کلینیکی است. ریزتراشه های پروتینی در تشخیص اثر دارویی (Drug discovery) و آزمایش مسـمومیـت (toxicological testing) کاربردهای فراوان دارد.ریزتراشه های الکترونیکی و الکتروشیمیاییelectrochemical Chips ِ Electronicریزتراشه های الکترونی برای ردیابی تغییرات در خواص الکـتـریکـی با استـفـاده از پیـوند زنی DNA)DNA hybridization) و محصور سازی پروتئین به صورت مطالعاتی و پژوهشی به کار می روند. حسگرهای انتقال دهنده سیگنال های الکتریکی بیو مولکـولی و سلولی که برای تحلیل های آنالیتیک مورد استفاده قرار می گیرند، از جمله کاربردهای این دسته هستند. اصولاً، این حسگرها برای کشف و آشکـارسازی الکـتروشیـمیـایی فعـال ازجمـله رنگ های آلی (organic dyes)، ترکیبات فلزی، آنزیم ها یا نانوذرات فلزی مناسب هستند (شکل ۳.) برای این دسته سه گروه فعالیت و کاربرد در نظر گرفته می شود:۱)اندازه گیری جریان (amperometry): که برای اندازه گیری میزان جریان الکتریکی در نرخ انتقال الکترون در فرایندهای اکسایش - کاهش به کار می رود.۲)اندازه گیری پتانسیل (potentiometry): که برای اندازه گیری میزان تغییرات پتانسیل در الکترودها با توجه به یون ها واکنش های شیمیایی داخلی به کار می رود.۳)اندازه گیـری نارسانایی (impedimetry): که برای اندازه گیری میزان هدایت و رسانندگی در محیط بین دو الکترود اتفاق می افتد، به کار می رود.Lab-on-Chipاصول LOC بر اساس تجمع سازی تمامی دستگاهای ضروری در یک ریزتراشه برای نمایش ترکیبات بیوشیمی پیچیده و فرایندهای شیمیایی (که معمولاً با حجم زیاد تجهیزات آزمایشگاهی انجام شده) است. درساختار LOCها، کانال های کم عرض، پمپ ها، اتاقک های سخت با دستگاه های الکترونی و نوری، حسگرها و محرک ها برای اجرای مراحل چندگانه برنامه ها می تواند وجود داشته باشد. گستره فعالیت و کاربرد این ریزتراشه زیستی، در تمامی فضاهای کاری ریز اندازه از پروتئین شناسی و ژنتیک تا اطلاعات زیستی است.سیستم مرتب سازی سلولی Cell sorting system()برای کشف و آشکارسازی سلول از دو روش مرتب سازی و شمارش سلولی استفاده می شود. روش مبتنی بر LOC دارای قابلیت تکثیرپذیری و تفکیک پذیری مناسب در ابعاد سلولی با قطر ۶/۰میکرو متر است. بیشترین تمرکز کاری بر روی جایگزینی مرسوم اتاقک سیال با دستگاه هایی با ابعاد کوچک (ریزتولیدات) است. ازاین رو سلول ها، ذرات و معرف ها می توانند به وسیله فشار، حرکت ذرات معلق نارسنا بر اثر جریان و نفوذپذیر الکتریکی دستکاری شوند.