讓病毒為人類(lèi)“打工”

莫然

說(shuō)起病毒，我們常常聞之色變，殊不知，在科學(xué)家的手中，病毒有著神奇的作用。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的生物學(xué)家安吉拉·貝爾徹是“雇傭”病毒干活的老手。攻讀博士學(xué)位期間，貝爾徹研究了鮑魚(yú)形成外殼的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)鮑魚(yú)能分泌一種蛋白質(zhì)，迫使碳酸鈣分子定向排列，從而形成堅(jiān)硬的外殼。貝爾徹想，碳酸鈣是一種無(wú)機(jī)化合物，工業(yè)中也用到許多無(wú)機(jī)化合物，那么，她能不能找到像鮑魚(yú)這樣能控制無(wú)機(jī)物的生物，讓它們作為工人進(jìn)行生產(chǎn)呢？

在多次考察和試用后，貝爾徹選出了優(yōu)秀“工人”——M13噬菌體。M13噬菌體是一種寄生于細(xì)菌且對(duì)人體無(wú)害的病毒，它長(zhǎng)得十分“苗條”，一條單鏈DNA封裝在圓柱形的蛋白質(zhì)外殼中，兩端有幾個(gè)其他類(lèi)型的蛋白質(zhì)。貝爾徹發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)噬菌體側(cè)面和兩端的蛋白質(zhì)能吸附不同的物質(zhì)分子，而且不同的噬菌體吸附的分子也不相同，她可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出最適宜與某種分子結(jié)合的噬菌體：將噬菌體投入到含有某種物質(zhì)的燒杯中，然后增加溶液的酸性，洗去不能與該物質(zhì)結(jié)合的噬菌體，如此反復(fù)多次，就能找到最佳噬菌體。

除了這種笨拙的方法外，基因工程的發(fā)展也幫了貝爾徹大忙。運(yùn)用基因工程改變噬菌體兩端的蛋白質(zhì)，貝爾徹就可以批量制造出能粘接不同分子的噬菌體，再加上噬菌體側(cè)面的蛋白質(zhì)也具有吸附能力，用這些噬菌體作為橋梁就可以制造出數(shù)十億種有各種特殊功能的結(jié)構(gòu)。

噬菌體“工人”的第一份工作是制造電池。傳統(tǒng)鋰離子充電電池常使用鋰化合物作為正極材料，用石墨作為負(fù)極材料，當(dāng)鋰離子通過(guò)電解質(zhì)從負(fù)極流向正極時(shí)，電池便會(huì)發(fā)電，充電時(shí)離子流向則相反。想要提高電池的效率，需要使用濃度更高的電解液，這提高了電池的成本，對(duì)環(huán)境也不友好，而病毒的加入能改變這個(gè)狀況。

貝爾徹從許多改造過(guò)的噬菌體中找到了最適合吸附氧化鈷和磷酸鐵的噬菌體，這兩種材料分別可以用于制造電池的正極和負(fù)極。研究人員把相應(yīng)噬菌體投入到化合物溶液中，讓噬菌體全身“鍍金”，這些噬菌體甚至還可以相互連接形成長(zhǎng)數(shù)厘米的導(dǎo)線，從而可以被織成薄膜。將這些薄膜疊加成三明治結(jié)構(gòu)，中間充滿(mǎn)水，一塊病毒鋰電池就制成了。

病毒鋰電池的優(yōu)點(diǎn)很明顯，與傳統(tǒng)鋰電池相比，病毒鋰電池更易降解，由于制造過(guò)程需要相對(duì)較少的設(shè)備，病毒鋰電池也更加便宜。而且病毒鋰電池的電極間距離很短，也使充電和放電更加迅速。此外，噬菌體可以結(jié)合在各種材料的表面上，由此形成的電池重量更輕、體積更小，可以用在微型電子設(shè)備中。

病毒電池

噬菌體用途一覽

當(dāng)然，其缺點(diǎn)也很突出，作為連接橋梁的噬菌體太小了，能承載的正負(fù)極材料十分有限，直接導(dǎo)致電池電能較小，目前僅能為L(zhǎng)ED燈、手電筒、激光筆等小型設(shè)備供電。不過(guò)，貝爾徹并未放棄，近年來(lái)，碳納米管、鈣鈦礦半導(dǎo)體等電極材料相繼涌現(xiàn)，將之用噬菌體連接成電池，電池的性能也得到了大幅提升，將來(lái)如果能再提升改造噬菌體的產(chǎn)量，病毒鋰電池也許就能跟大家見(jiàn)面了。

很快，貝爾徹又為噬菌體找到了第二份工作：改良存儲(chǔ)性能。

相變存儲(chǔ)器是一種理想的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，它通過(guò)電流和磁場(chǎng)的開(kāi)關(guān)改變存儲(chǔ)材料的狀態(tài)從而進(jìn)行數(shù)據(jù)閃存。與其他存儲(chǔ)器相比，相變存儲(chǔ)器同時(shí)具有存儲(chǔ)容量大、存儲(chǔ)速度快、即使斷電存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也不會(huì)消失等優(yōu)點(diǎn)，因此，相變存儲(chǔ)器一出現(xiàn)就幾乎打敗了其他傳統(tǒng)存儲(chǔ)器?？墒牵嘧兇鎯?chǔ)器有一個(gè)難以解決的技術(shù)難點(diǎn)，其原材料與制造工藝具有不可協(xié)調(diào)的矛盾。

相變存儲(chǔ)器常用到的一種原材料叫做銻化鎵，它是存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)功能必不可少的原料，它在不同溫度下發(fā)生晶體和非晶體的轉(zhuǎn)變是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能的基礎(chǔ)。但是，銻化鎵在溫度達(dá)到約347℃時(shí)會(huì)發(fā)生分解，從而喪失功能，而相變存儲(chǔ)器的制造過(guò)程中需要使用到347℃以上的溫度，兩者的矛盾長(zhǎng)期以來(lái)都得不到解決，成了相變存儲(chǔ)器的一大制造難點(diǎn)。

噬菌體的出現(xiàn)解決了這個(gè)矛盾，它直接替換了銻化鎵。貝爾徹團(tuán)隊(duì)制造了一種能吸附鍺錫氧化物的噬菌體，在噬菌體的作用下，很快就能形成一條條納米級(jí)別的鍺錫氧化物導(dǎo)線。將這些導(dǎo)線編織成塊，它就能取代銻化鎵，成為相變存儲(chǔ)器的主要原材料。鍺錫氧化物的分解臨界點(diǎn)約為447℃，用它來(lái)制造相變存儲(chǔ)器，就不用擔(dān)心分解失效的問(wèn)題。

噬菌體的吸附作用還有一個(gè)妙用，那就是檢測(cè)漏洞。有一種噬菌體，能吸附半導(dǎo)體材料砷化鎵，而對(duì)它的“近親”氮化鎵卻不敏感，因此將這種噬菌體加入氮化鎵電子元件中不會(huì)影響其性能，這使它可以被用來(lái)檢測(cè)芯片上的缺陷。在用氮化鎵晶體制造芯片時(shí)，如果晶體原子沒(méi)有恰當(dāng)結(jié)合，就會(huì)在局部位置產(chǎn)生微小的孔隙，這些孔隙長(zhǎng)期累積會(huì)使芯片變形，最終會(huì)影響到電學(xué)特性。將噬菌體添加到芯片上，噬菌體就會(huì)大量聚集在孔隙處，如果讓噬菌體帶上熒光標(biāo)記，我們就能用顯微鏡觀察到這處缺陷。

不止是電子元件的漏洞，就連人體的漏洞——腫瘤細(xì)胞也可以被噬菌體檢測(cè)出來(lái)。在噬菌體的一端先吸附上金、銀等金屬納米顆粒，這些顆粒接收到能量后，會(huì)激發(fā)出強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的熒光，很容易被檢測(cè)到。將這些噬菌體注入人體，當(dāng)噬菌體吸附到腫瘤細(xì)胞的蛋白質(zhì)上時(shí)，醫(yī)生就可以通過(guò)檢測(cè)熒光來(lái)發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞。用這個(gè)方法能夠發(fā)現(xiàn)小到半毫米的腫瘤塊，而傳統(tǒng)的CT掃描只能發(fā)現(xiàn)直徑最小為1厘米的腫瘤，這對(duì)癌癥患者意義重大，因?yàn)樵绨l(fā)現(xiàn)早治療是提高癌癥治愈率的重要條件。

不要再談“毒”色變了，正確認(rèn)識(shí)并運(yùn)用病毒，它們也能發(fā)揮出巨大作用。