Đề tài Ứng dụng các kỹ thuật array trong lĩnh vực môi trường

[27]. Điều này chắc chắn làm thay đổi các điều kiện môi trường in situ và có thể tác động sâu xa tới biểu hiện gene, thành phần quần xã và cản trở việc định lượng các quần thể tự nhiên [28]. Tính đặc hiệu và độ nhạy cả hai phụ thuộc vào các yếu tố thí nghiệm liên quan đến việc chế tạo mảng và lai. Tất cả các yếu tố như bề mặt hoá học của phiến kính, hình thái chấm, khả năng gắn mẫu dò và các điều kiện lai cũng như rửa đều ảnh hưởng đến tính đặc hiệu và độ nhạy [29]. Ngoài ra, các cấu trúc bậc hai nội phân tử như cấu trúc kẹp tóc ảnh hưởng lớn đến hiệu quả lai và gây ra sai số [4].Vấn đề phân tíchCác vấn đề phân tích liên quan đến việc thu nhận và giải thích dữ liệu từ các thí nghiệm mảng rất đáng chú ý. Việc giải thích dữ liệu rất khó do luôn tồn tại các khác nhau cố hữu trong thí nghiệm mảng, một phần do các yếu tố thực nghiệm đã đề cập ở trên. Ngoài ra, do thiếu sự lặp lại và định lượng của một số lớn dữ liệu thu được nên làm cản trở việc phân tách các dữ liệu thích đáng. Trừ một số ngoại lệ [30-32], thậm chí hầu hết sự chú ý nhỏ nhất với các tiêu chuẩn phân tích bị bỏ qua trong những nghiên cứu môi trường. Điều này làm phần lớn các kỹ thuật mảng dùng cho môi trường hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển [25]. Tuy còn khá nhiều vấn đề song nếu so sánh với các kỹ thuật trước đây thì những hạn chế của microarray không đáng kể và hoàn toàn có thể bù đắp bởi lợi ích của nó mang lại. Hơn nữa, các hạn chế này đa phần đều có thể khắc phục bằng những cải tiến, phát triển mới trong kỹ thuật.PHẦN II_ KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT DNA ARRAY TRONG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNGPHẦN II_ KHẢ NĂNG PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT DNA ARRAY TRONG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNGVi sinh vật đóng vai trò độc nhất vô nhị trong chức năng cũng như trong việc duy trì hệ sinh thái. Mới đây, đã có bằng chứng cho thấy rằng hoạt tính của vi sinh vật là thiết yếu cho tính ổn định của sinh quyển [33]. Trạng thái tồn tại, phân bố của vi sinh vật hoặc quần xã vi sinh vật chỉ thị có thể báo trước các hiệu ứng môi trường trong một thời gian dài. Hầu như mọi thay đổi môi trường đều làm thay đổi thành phần quần xã vi khuẩn. Do đó, có thể phát hiện sớm các yếu tố biến đổi không biết trước bằng cách phân tích biến thiên quần thể hay nói cách khác, có thể sử dụng vi sinh vật để giám sát trạng thái và các biến đổi môi trường [34]. Tuy nhiên, để có thể quản lý môi trường trên diện rộng, cần phân tích một lượng mẫu sinh học khổng lồ, điều này không thể đạt được với các kỹ thuật trước đây [35]. Ngày nay, trong lĩnh vực quản lý môi trường cần phát triển những phương pháp mới để đánh giá tốc độ phân huỷ sinh học, quá trình chuyển hoá sinh học và động học quần xã vi sinh với mục tiêu xác định quần xã, giám sát quá trình và xác định điểm kết thúc phân huỷ sinh học... Trong thực nghiệm, để đạt được những điều trên đòi hỏi phải: (i) xác định đồng thời nhiều loại vi sinh vật, (ii) sử dụng phương pháp phân tích có thể tự động hoá, (iii) giám sát RNA như chỉ thị định tính hoạt tính vi sinh vật và (iv) định lượng mức độ RNA và/hoặc hoạt tính vi sinh vật. Microarray là kỹ thuật thoả mãn các yêu cầu này [6]. Nó mang lại những hứa hẹn trong sinh thái vi sinh vật như phát hiện và định lượng các họ gen liên quan đến các chu trình sinh địa hoá học, phân huỷ sinh học và vi sinh vật gây bệnh với hiệu suất cực cao [31]. Với tập hợp mẫu dò được thiết kế thích hợp, chỉ cần một thí nghiệm để phát hiện vài ngàn chủng vi khuẩn thuộc các loài, giống hoặc phân ngành khác nhau. Điều này có nghĩa là trong các lĩnh vực y học, vi sinh thực vật, vi sinh động vật động vật, quản lý chất lượng thực phẩm, nước chỉ cần một kiểm tra để phát hiện tất cả các vi khuẩn gây bệnh/có lợi/nhiễm tạp có thể có trong mẫu nghiên cứu [36]. Kỹ thuật microarray mới ra đời vào đầu những năm 1990, thực sự phát triển từ năm 1995 và mới được ứng dụng trong lĩnh vực môi trường chỉ vài năm gần đây [6] nhưng đã phát triển rất mạnh mẽ. Một trong các ứng dụng nổi bất nhất của microarray trong quản lý môi trường là xác định vi sinh vật (bảng 1). Các microarray này chứa hàng trăm mẫu dò oligonucleotide, mỗi mẫu dò đại diện cho các chủng/loài/giống vi sinh vật khác nhau cho phép phát hiện nhanh với hiệu suất cao nhiều vi sinh vật từ hầu như bất cứ loại mẫu nào. Khả năng sử dụng các mảng chuẩn đoán vi sinh vật bao phủ hầu như toàn bộ các lĩnh vực khoa học sự sống bao gồm các chuẩn đoán người, thú y, thực vật và động vật, vi sinh môi trường, kiểm tra chất lượng nước… Có thể xác định vi sinh vật gây bệnh cho người từ các mẫu thử nghiệm một cách hoàn hảo với khả năng thiết kế mảng xác định nhanh, không qua nuôi cấy, chỉ trong vài giờ và hầu như bảo trì được thông tin tự nhiên của nó. Cũng có thể dùng microarray để phát hiện thực phẩm nhiễm khuẩn, vi sinh vật gây bệnh cho động, thực vật trên quy mô lớn. Ngoài ra còn có thể sử dụng để nghiên cứu mức đa dạng vi sinh vật đất đối với tính chống chịu và độ màu mỡ của đất cũng như biến thiên độ đa dạng theo hoạt động nông nghiệp [33].Bảng 1: Các ứng dụng nổi bất nhất của microarray trong xác định vi sinh vậtBên cạnh việc xác định vi khuẩn, DNA array còn có tác dụng đánh giá phân bố gene chức năng trong môi trường tự nhiên. Gene mã hoá các enzyme chức năng trong chu trình sinh địa hoá học (như C, S, N, các kim loại) là dấu hiệu rất hữu ích để giám sát trạng thái sinh lý và hoạt tính chức năng của các quần thể và quần xã vi sinh vật trong môi trường tự nhiên [59]. Bảng 2: Ứng dụng microarray để xác định các tập hợp gene chức năng trong môi trường.Hầu hết các nghiên cứu đều hướng tới việc giải quyết độ nhạy và tính đặc hiệu của microarray để áp dụng trực tiếp với mẫu môi trường. Một vấn đề khác là khả năng di động của thiết bị để có thể mang tới hiện trường phân tích [62]. Các mối quan tâm này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng quản lý, giám sát (theo thời gian thực) hoạt tính vi sinh vật trong môi trường cũng như động học quần xã của quá trình phân huỷ sinh học [6]. Các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới đã phát triển rất nhiều kỹ thuật khác nhau nhằm giải quyết những hạn chế này. Trong đó những phát kiến về thiết bị hiện ảnh [63; 64], cải tiến thiết bị in mẫu dò [65; 66], cải tiến phân tích, chuẩn hoá dữ liệu [67; 68; 20; 69], phát triển các loại chất phát huỳnh quang mới sẽ không được đề cập đến trong khuôn khổ bài viết này. Ở đây, tôi chỉ tập trung vào hai mảng chính. Thứ nhất là phát triển các phương pháp thực nghiệm mới nhưng vẫn dựa trên mảng cDNA hoặc oligonucleotide (cải tiến loại một). Thứ hai là phát triển các loại array mới, ở đó mẫu dò không phải DNA hay RNA mà là protein, hoá chất, peptide, glycan và PNA (cải tiến loại hai).1. Các cải tiến loại một1.1 Cải tiến mẫu dòSử dụng mẫu dò phụ trợSmall và cộng sự (2001) đã phát triển một phương pháp mới sử dụng bộ mẫu dò phát hiện/bắt giữ (chaperone/detector) [6]. ▲Hình 16: Phương pháp ứng dụng mẫu dò phát hiện chaperone [Theo 6]. Mẫu dò phát hiện ngăn chặn việc tạo thành các cấu trúc nội phân tử giúp tăng hiệu quả lai. Chúng được thiết kế dựa trên đoạn trình tự 16S rRNA đặc trưng loài còn mẫu dò bắt giữ đại diện cho các trình tự bảo thủ giữa các loài. Mỗi mẫu dò phát hiện không lai chéo với RNA không phải đích cũng như không lai với mẫu dò bắt giữ trên mảng (Hình 16).Kết quả cho thấy, bằng cách sử dụng mẫu dò phát hiện đánh dấu biotin gắn với RNA ngay gần mẫu dò bắt giữ cố định trên mảng, Small và cộng sự (2001) có thể xác định trực tiếp (không PCR cũng như làm giàu) 16S rRNA của G.chapellei từ dịch chiết đất có ít nhất 0,5 µg rRNA tổng số (tương đương với 7,5 x 106 tế bào) [6]. Như vậy, phương pháp này có độ nhạy cao, và có thể ứng dụng trực tiếp với các mẫu môi trường mà không cần các bước khuếch đại, làm giàu hay đánh dấu đích.Kết hợp đánh dấu phát huỳnh quang và đánh dấu phóng xạ (Isotope array)Adamczyk và cộng sự (2003) đã kết hợp hai phương pháp đánh dấu phát huỳnh quang và đánh dấu phóng xạ để nghiên cứu đồng thời sự phân bố về mặt chức năng cũng như hoạt tính vi sinh vật trong các mẫu bùn hoạt tính mà không sử dụng phương pháp PCR cũng như nuôi cấy [70]. 1.2 Cải tiến mảngFlow-Thru ChipTM (FTC)Kỹ thuật này tạo ra mảng 3 chiều nhằm tăng cường bề mặt tiếp xúc giữa đích và mẫu dò, do đó tăng cường tốc độ lai [71]. Các cơ chất xốp như mao quản thuỷ tinh, silicon có lỗ thủng do ăn mòn điện hoá (electrochemically etched porous silicon) và màng lọc bằng oxit kim loại thường được sử dụng. Các phân tử mẫu dò gắn trên thành trong của vi kênh (microchanel). Một chấm trên mảng có thể chứa nhiều vi kênh nhưng chỉ có một loại mẫu dò cố định tại đây (Hình 17). ▲Hình 17: Sơ đồ chế tạo Flow-ThruChipTM []. Kessler và cộng sự (2004) đã tạo ra một FTC chứa trên 700.000 vi kênh đồng nhất/1cm2. Mỗi vi kênh có đường kính 10 µm, dài 450 µm. Mỗi chấm chứa một loại mẫu dò gồm 100 vi kênh. Như vậy, khả năng gắn lớn gấp 100 lần so với phương pháp array truyền thống. Hơn nữa, phản ứng lai được tăng cường do hiệu quả gắn trong vi kênh lớn hơn so với mảng hai chiều. Trong vi kênh, mẫu dò khuếch tán tới đích nhanh hơn, khoảng vài giây trong vi kênh dài 10 µm, trong khi khoảng cách khuếch tán trên chip phẳng khoảng vài mm. Do đó, công nghệ FTC mang lại khả năng gắn lớn hơn, giảm thời gian lai và giảm lượng mẫu cần cho thí nghiệm. Bằng kỹ thuật này, Kessler và cộng sự (2004) đã xác các virus cúm gồm influenza A virus (H1N1, H3N2, H1N2 và H5N1) và influenza B virus với độ nhạy cao (1x102 đến 5x102 hạt virus), trong vòng chưa tới 5h (từ khi nhỏ mẫu vào chip đến khi phân tích kết quả) .MAGIChip (Micro Arrays of Gel-Immobilized Compounds on a Chip)MAGIChip (hay còn gọi là gel array) là microarray dùng phiến kính thuỷ tinh làm giá thể, bên trên gắn các miếng đệm gel polyacry-lamide (gel-pad). Mẫu dò được cố định trên gel pad [72]. Kích thước của miếng đệm này từ 10µm x 10µm x 5µm đến 100µm x 100µm x 20µm với thể tích từ picolit đến nanolit.Mỗi miếng đệm gel đóng vai trò một ống nghiệm chứa mẫu dò DNA vì bề mặt kính kỵ nước xung quanh ngăn cản sự trao đổi dung dịch mẫu giữa các miếng đệm [73]. Việc chế tạo bao gồm các bước sau: tạo mảng với các thành phần gen (pad) trên phiến kính thuỷ tinh, cố định hoá học các mẫu dò trên gel (Hình 18).Các oligonucleotide tổng hợp được tinh chế bằng điện di hoặc HPLC trước khi cố định trên mảng giúp kiểm soát độ sạch và đảm bảo tính đặc hiệu cao. Gel polyacry-lamide giúp tăng khả năng chứa các oligonucleotide cố định trên mảng [5].Guschin và cộng sự (1997) đã áp dụng kỹ thuật này để nghiên cứu vi khuẩn nitrat hoá trong các mẫu môi trường. Năm 2001, Mikhailovich và cộng sự dùng MAGI chip với mẫu dò là các oligonucleotide được thiết kế đặc hiệu cho gen rpoB mã hoá tiểu đơn vị β của RNA polymerase để xác định các chủng vi khuẩn lao Mycobacterium tuberculosis kháng thuốc. Lapa và cộng sự (2002) cũng dùng phương pháp này để xác định các loại virus Orthopoxvirus gây bệnh với độ nhạy 102 đến 103 virion [45]. Trong một nghiên cứu khác, phương pháp này được sử dụng để xác định quần xã vi khuẩn khử sulphate phân huỷ toluene và ethylbenzene [46] mang lại hiệu quả rất cao. ▲Hình 18: Sơ đồ MAGIChip [Theo 72] Chip răng lược (cantilever chip)Với những phát triển thần kỳ của công nghệ nano gần đây, các loại chip mới với vật liệu nano đang thu hút rất nhiều quan tâm của giới khoa học. Mới đây, McKendry và cộng sự (2002) đã chế tạo một loại array mới, dùng giá thể silicon có hình chiếc lược (cantilever). Bên trên, từng loại mẫu dò đã thiol hoá được gắn với các răng lược qua ống vi mao quản trong dung dịch đệm thích hợp (Hình 19). Khi có tương tác phối tử - thụ thể (đích - mẫu dò) sẽ làm tăng lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm phosphate tích điện âm của DNA mạch kép và tăng mật độ chuỗi gắn trên bề mặt răng lược tạo ra áp lực bề mặt làm răng lược bị cong xuống. Độ cong của răng lược có thể xác định in situ bằng phương pháp quang [74]. Kỹ thuật này tương thích với cả DNA và protein vì cách phát hiện cơ nano (nanome-chanical) này không cần dấnh dấu, các chất phát quang hay các mẫu dò bổ trợ. Hơn nữa thủ tục tiến hành nhanh, có tính đặc hiệu, độ nhạy và khả năng di động cao. Với công nghệ này, cho phép xác định nhanh và chính xác các phân tử đích không đánh dấu ở nồng độ vài nanomole chỉ trong ít phút. Nếu sử dụng các hạt vàng nano thì có thể phát hiện chúng bằng ánh sáng cộng hưởng (resonance light) ở giới hạn chỉ 10 ng. Tính nhạy còn có thể tăng hơn nữa bằng cách sử dụng các lược mỏng hơn. Đáp ứng cơ nano nhạy với nồng độ oligonucleotide cho phép định lượng các phân tử sinh học tồn tại và có hoạt tính trong dung dịch. Ngoài ra còn có thể nghiên cứu nhiệt động học của các tương tác này. Vì vậy, công nghệ mới này đầy hứa hẹn trong phân tích bộ gen, proteomics, chuẩn đoán sinh học và khám phá thuốc. Với độ nhạy cao như vậy cũng mở ra tiềm năng vô cùng lớn trong quản lý môi trường, ở đó nồng đích rất thấp. Hiện tại, có thể tạo ra chip với trên 1000 răng lược [75]. ▲Hình 19: Sơ đồ chip răng lược [Theo 74]. 2. Cải tiến loại hai2. Cải tiến loại hai2.1 PNA array Một trong những khía cạnh quan trọng ảnh hưởng đến độ nhạy và tính đặc hiệu của kỹ thuật microarray là khả năng gắn của mẫu dò với đích. Trong các kỹ thuật microarray truyền thống luôn tồn tại mâu thuẫn là: mẫu dò dài thì tính đặc hiệu cao và mẫu dò gắn ổn định với đích nhưng độ nhạy giảm. Còn khi dùng mẫu dò ngắn (oligonucleotide) thì độ nhạy cao nhưng tính đặc hiệu và mức độ ổn định của cấu trúc đích-mẫu dò lại giảm. Như đã biết, mạch khung của axit nucleic là một chuỗi các nhóm phosphate tích điện âm nối với nhau qua liên kết phosphodiester. Vì vậy, khi tạo thành mạch kép hai chuỗi khung luôn có xu hướng đẩy nhau do tích điện cùng dấu làm giảm độ ổn định của cấu trúc đích-mẫu dò. Có thể dùng muối để trung hoà lực đẩy này. Muối làm ổn định cấu trúc xoắn kép nhưng cũng ổn định hoá cấu trúc bậc hai và bậc ba nội phân tử làm giảm hiệu quả lai [76]. Các vấn đề trên dẫn tới nhu cầu phát triển một loại mẫu dò mới vừa nhạy, vừa đặc hiệu. Các oligomer peptide nucleic acid (PNA) có thể đáp ứng yêu cầu này. PNA có cấu trúc giống như DNA, chỉ khác ở chỗ nhóm phosphate và liên kết phosphodiester của DNA được thay bằng nhóm N-(2-aminoethyl)-glycine và liên kết amide. Các nucleobase gắn với khung bởi liên kết ethylene carbonyl (Hình 20). Chúng ta đã có 50 năm khám phá ra chuỗi xoắn kép DNA, nhưng mới chỉ có 10 năm khám phá ra PNA [77]. Tuy nhiên PNA đã và đang được phát triển cho nhiều ứng dụng khác nhau. Một trong số đó là PNA array.Sử dụng PNA làm mẫu dò có một số thuận lợi lớn. Thứ nhất, bộ khung của PNA không tích điện do đó triệt tiêu lực đẩy giữa hai mạch cấu trúc PNA-DNA. Vì vậy, tính ổn định của các phân tử mạch kép PNA-DNA trong điều kiện sinh lý tăng xấp xỉ 1,5oC so với liên kết DNA-DNA [78]. Thứ hai, có thể tiến hành phản ứng lai trong điều kiện nồng độ muối đệm thấp hoặc thậm chí không cần. Thứ ba, liên kết bổ sung giữa hai mạch PNA và DNA đặc hiệu hơn [79]. Thứ tư, PNA không bị phân cắt bởi protease hoặc nuclease do đó có thể thiết kế mẫu dò ngắn hơn [80]. Cuối cùng, ưu điểm quan trọng nhất là có thể phát triển các phương pháp phát hiện ảnh tốt hơn so các phương pháp truyền thống nhắm vào cấu trúc khác biệt giữa DNA và PNA [76; 80]. ◄Hình 20: Cấu trúc phân tử PNA. Ở đó nhóm phosphate và liên kết phospho-diester của DNA được thay bằng nhóm N-(2-amino-ethyl)-glycine và liên kết amide. Các nucleobase gắn với khung bởi liên kết ethylene carbonyl [Theo 76]. Có hai cách chế tạo mảng PNA là tổng hợp in situ và gắn các mẫu dò được tổng hợp từ trước lên mảng [80]. Ngoài việc thay mẫu dò oligonucleotide bằng mẫu dò PNA, các bước khác vẫn tiến hành giống như DNA array truyền thống.Gần đây, bằng cách kết hợp PNA array với phương pháp phát hiện TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry), Brandt và cộng sự (2003) đã tạo ra một phương pháp có độ nhạy cao để phát hiện trực tiếp các đích RNA hoặc DNA không cần đánh dấu. Những tiến bộ về mặt kỹ thuật này đã mở ra hướng ứng dụng vô cùng to lớn của PNA array trong quản lý môi trường [80].2.2 Nanowire arrayMột trong những vấn đề rất quan trọng trong lĩnh vực quản lý môi trường là cần phát hiện nhanh, nhạy và có chọn lọc các loại virus gây bệnh. Các dây nano silicon được tổng hợp và gắn trên bề mặt giá thể silicon bằng phương pháp in quang hoạt. Sau đó gắn cộng hoá trị các thụ thể kháng thể trên dây nano bằng xử lý hoá học. Mẫu virus được phân phối tới thiết bị qua các kênh dẫn lỏng, kênh polymer dẻo hoặc khe tạo thành giữa lớp thuỷ tinh đặt trên trên bề mặt và chip. ►Hình 21: Sơ đồ thiết bị mảng dây nano dùng để phát hiện các virus đơn lẻ. Bên trái là sơ đồ thiết bị gồm 2 dây nano. Hai dây nano 1 và 2 gắn trên đó các thụ thể kháng thể khác nhau. Sự gắn đặc hiệu của một virus trên các thụ thể của dây nano 2 tạo ra sự biến đổi độ dẫn (bên trái) do điện tích bề mặt của dây nano bị biến đổi. Khi tách virus khỏi bề mặt, độ dẫn trở lại giá trị đường thẳng như ban đầu [Theo 81]. Ưu điểm của loại array này là có thể xác định tín hiệu lai bằng hai cách. Cách thứ nhất là đo độ dẫn điện thay đổi qua thời gian thí nghiệm. Khi virus gắn đặc hiệu trên các thụ thể của dây nano làm cường độ dòng điện qua nó biến đổi vì điện tích bề mặt của dây nano đã bị biến đổi. Khi tách virus ra khỏi bề mặt, độ dẫn trở lại đường thẳng như ban đầu (hình 21). Độ dẫn khác nhau khi số lượng cũng như chủng loại virus gắn với thụ thể trên dây nano khác nhau. Cách thứ hai là đo quang. Khi cho dòng điện chạy qua, dây nano phát quang. Có thể dùng thuốc nhuộm phát huỳnh quang để đánh dấu các hạt virus. Dùng hai loại kính hiển vi khác nhau xác định đồng thời tín hiệu phát quang của dây nano và thuốc nhuộm. Trong thực nghiệm, ảnh phát sáng, phát huỳnh quang cùng dữ liệu độ dẫn được xác định đồng thời. Dữ liệu phát sáng cho biết vị trí của dây nano cùng với màu phát huỳnh quang kết hợp với nhau cho thấy vị trí tương đối của dây nano và sự di động của các hạt virus. Độ dẫn giúp xác định loại virus và định lượng chúng [81].Bằng cách này Patolsky và cộng sự (2004) đã xác định hai loại virus khác nhau là influenza A (kháng thể của chúng nằm trên dây 1) và adenovirus (kháng thể của chúng nằm trên dây 2). Độ dẫn điện thu được khi hai loại virus gắn với hai dây nano sẽ khác nhau do mật độ điện tích bề mặt của hai virus khác nhau [81]. Như vậy, có thể xác định trực tiếp các virus với tính đặc hiệu cao bằng mảng dây nano mà không cần bất cứ bước tinh sạch hay khuếch đại nào. Loại mảng này có thể xác định được một virus hoặc nhiều virus đồng thời. Bằng các phương pháp kết hợp để tạo ra những mảng dây nano lớn hơn, có tính tái sử dụng cao hơn [82], phương pháp này hứa hẹn nhiều chiển vọng có thể xác định đồng thời trên 100 loại virus khác nhau [81].2.3 Peptide arrayKhái niệm peptide array được đưa ra đầu tiên ngay từ năm 1984 khi các phương pháp tổng hợp hoá học kết hợp phát triển cao [83]. Protein đóng vai trò quan trọng trong tất cả các quá trình của tế bào. Vai trò này của chúng bao gồm các thụ thể bề mặt tế bào, làm trung gian bám dính tế bào, các yếu tố nhận biết phân tử bởi đó protein adaptor xác định hoạt tính hoá sinh và hoạt tính enzyme trải qua chức năng trao đổi chất và chuyển hoá dấu hiệu. Trong một số trường hợp, hoạt tính sinh học của protein có thể khu trú thành các peptide ngắn hơn. Các peptide này có trình tự bậc một (mặc dù thường mất một phần hoạt tính). Hơn nữa, trong khi protein thường bị biến tính và mất hoạt tính sinh học, peptide lại có chức năng tương đối ổn định, chúng có thể giữ hoạt tính dưới hầu hết các điều kiện phản ứng. Do đó peptide được ưu tiên phát triển cho các thí nghiệm sàng lọc, đặc biệt trong các kỹ thuật microarray. Vào thập kỷ trước, các tiến bộ trong hoá học và sinh học phân tử cho phép tổng hợp nhiều loại peptide có cấu trúc và hoạt tính sinh học khác nhau [84].Những điều trên là tiền đề ra đời peptide array. Có thể sử dụng peptide array để sàng lọc nhiều tương tác khác nhau như sự gắn của protein, hoạt tính enzyme, bám dính của tế bào [85], sự gắn của kim loại [86] … ▲Hình 22: Sơ đồ nguyên lý peptide array [Theo [87]. Có nhiều phương pháp được sử dụng để chế tạo peptide array. Trong đó tổng hợp peptide in situ hoặc gắn các peptide chức năng trên chip là hai phương pháp thường dùng nhất [87; 84]. Hiện nay, hầu hết peptide array được tạo ra để nghiên cứu kinase vì sự phosphoryl hoá protein bởi kinase là một trong những cơ chế điều hoà chức năng tế bào quan trọng nhất. Một ứng dụng quan trọng khác của peptide array là phát hiện cơ chất/sự kìm hãm của các hydrolase bao gồm protease và các loại enzyme thuỷ phân khác như lipase, esterase… [84]. Duburcq và cộng sự (2004) đã sử dụng peptide/protein microarray để xác định kháng thể gắn với mảng qua tín hiệu phát huỳnh quang và ứng dụng phương pháp này để nghiên cứu kháng thể kháng virus viêm gan B/C, virus suy giảm miễn dịch của người, Epstein-Barr virus và các kháng nguyên bệnh giang mai (syphilis antigens) với độ nhạy và tính đặc hiệu cao [88].Trong một ví dụ thú vị khác, Gao và cộng sự (2003) đã sử dụng peptide array để xác định các phối tử gắn chọn lọc với muối Pb(II), mở ra hướng sử dụng peptide array làm điện cực kiểm soát các kim loại độc trong môi trường [86]. 2.4 Glycan arrayVới 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 arrayGần 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 mảngGiống 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 giữCác kháng thể được cố định thường được sử dụng n