MIT教授將病毒用于電池、腫瘤檢測(cè)，未來(lái)計(jì)劃用病毒驅(qū)動(dòng)汽車(chē)

●胡莉花

一顆普通電池丟棄后，可以污染60萬(wàn)升的水。在各類(lèi)電池中，鋰離子電池因儲(chǔ)能高、重量輕、污染小等特點(diǎn)一騎絕塵，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電動(dòng)車(chē)、軍事裝備及航空航天等。

但高效、便攜、環(huán)保始終是電池應(yīng)用領(lǐng)域的追求。麻省理工學(xué)院的生物分子材料學(xué)教授安吉拉貝爾徹（Angela Belcher）已成功用病毒組裝了電池的正負(fù)極，并成功為L(zhǎng)ED燈、手電筒、激光筆等小型設(shè)備供電。

與普通的電池相比，病毒電池僅需要病毒、水以及電極材料就可以供電，不僅環(huán)保、降低了成本，在一定程度上，這種電池比傳統(tǒng)的電池相比，具有更高的容量、循環(huán)壽命和充電率。除此之外，安吉拉也將病毒改造用于轉(zhuǎn)移性腫瘤檢測(cè)，協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行切除。

“病毒電池”的誕生

用病毒組裝電池這一想法源于鮑魚(yú)。讀博期間，安吉拉就注意到了這種擁有堅(jiān)硬外殼的生物，研究后發(fā)現(xiàn)，鮑魚(yú)分泌的一種蛋白質(zhì)能夠迫使碳酸鈣分子定向排列，形成鮑魚(yú)堅(jiān)硬的外殼。既然是蛋白質(zhì)形成的外殼，那么它也是一種納米級(jí)材料，作為一名材料學(xué)家，安吉拉敏銳的意識(shí)到可以改造病毒表達(dá)相似的蛋白質(zhì)，從而為人類(lèi)制造有用的材料。

在分析了數(shù)百萬(wàn)種病毒之后，安吉拉及其團(tuán)隊(duì)確定了M13噬菌體，這種病毒遺傳物質(zhì)簡(jiǎn)單，易于操作，還可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能用于發(fā)電。“盡管不是唯一可用于納米工程的病毒，但它的效果非常好”，安吉拉表示。M13是一種結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)的病毒，這種結(jié)構(gòu)正好可以用作生物支架。

對(duì)M13的基因組進(jìn)行改造后，病毒的表面會(huì)生成特定的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)能夠吸附電極材料。當(dāng)對(duì)病毒基因組進(jìn)行不同的工程突變時(shí)，生成的蛋白質(zhì)能夠吸附不同的材料。安吉拉改造的病毒表達(dá)的蛋白質(zhì)能夠吸附氧化鈷和磷酸鐵，分別擔(dān)任電池的正極和負(fù)極。

M13噬菌體

傳統(tǒng)的鋰離子電池是一種充電電池，這種電池使用鋰化合物作為電極材料，常用的正極材料包括鋰鐵磷酸鹽、錳酸鋰等，常用的負(fù)極材料是石墨，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。

病毒電池在本質(zhì)上也是一種鋰離子電池，但其所用的電解質(zhì)是水，與鋰離子電池相比，病毒電池使用生物材料，更易降解，而且，它們的合成需要相對(duì)較少的設(shè)備，因此也更加便宜。同時(shí)，這種病毒經(jīng)過(guò)改造后，只會(huì)感染特定的細(xì)菌，且不會(huì)對(duì)人體致命。

“使用病毒等生物材料的好處是，它們已經(jīng)以納米形式存在，它們是用于合成電池材料的天然模板”，約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)電池研究科學(xué)家Konstantinos Gerasopoulos表示。納米電極能夠更多、更快地吸收和釋放帶電離子，因而可以將電池做的更小、更輕且容量更大。

納米電池是目前的研發(fā)熱點(diǎn)，將電池正極和負(fù)極的材料納米化后，能夠降低電池材料的體積、提高電池密度，從而提升電池的容量，如果加入導(dǎo)電性良好的碳纖維，也可以提升電池的充放電性能。

產(chǎn)量和效能是商業(yè)化障礙

早在2009年，安吉拉就在白宮為前美國(guó)總統(tǒng)巴拉克奧巴馬展示了這種病毒電池，當(dāng)時(shí)，奧巴馬正好計(jì)劃撥款20億美元用于新型電池的技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

安吉拉抓住了這一機(jī)遇。在10多年的發(fā)展中，安吉拉改造的病毒已經(jīng)能夠結(jié)合150種材料，應(yīng)用到了太陽(yáng)能電池、腫瘤檢測(cè)燈方面。但不得不注意的是，目前，安吉拉改造的病毒電池僅能為L(zhǎng)ED燈、手電筒、激光筆等小型設(shè)備供電。

一般的電池工廠所需的原材料高達(dá)數(shù)十噸，但是病毒體積太小，以目前的生物分子技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)這種規(guī)模的量產(chǎn)。也就是說(shuō)，病毒電池暫時(shí)沒(méi)辦法商業(yè)化，對(duì)此，安吉拉解釋道，“與成熟的鋰離子制造商競(jìng)爭(zhēng)是毫無(wú)意義的，我們并不會(huì)與當(dāng)前的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，最重要的是，我們想要用生物學(xué)技術(shù)解決一些迄今為止尚未解決的問(wèn)題”。

在安吉拉成功拿到病毒電池的同年，美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)了碳納米管太陽(yáng)能電池，碳納米管是由碳原子無(wú)隙結(jié)合形成的一種納米級(jí)的圓柱狀物體，這種材料的太陽(yáng)能電池導(dǎo)電性好、比傳統(tǒng)的硅材料便宜，但是轉(zhuǎn)換效率非常低，僅有1%。

2011年，安吉拉及其團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上，用M13病毒將碳納米管太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率提升了近30%。M13病毒生成的特定蛋白質(zhì)能夠固定碳納米管，從而保證納米管處于正確的位置；同時(shí)，M13還會(huì)產(chǎn)生二氧化鈦，能夠提高電子的傳輸效率；此外，M13能夠讓碳納米管具有水溶性，使其在室溫條件下更方便地加入到太陽(yáng)能板中，從而降低成產(chǎn)生本。

盡管安吉拉在一定程度上提升了碳納米管太陽(yáng)能板的轉(zhuǎn)換效率，但是這種技術(shù)效率無(wú)法和鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池相提并論。鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)超過(guò)了21%。

現(xiàn)在，安吉拉和團(tuán)隊(duì)也在研究鋰空氣電池，這種電池用空氣中的氧氣作為負(fù)極，用鋰離子作為正極。相比較鋰離子電池，鋰空氣電池?fù)碛懈叩拿芏龋@意味著，這種電池能夠儲(chǔ)存更多的電量。安吉拉和團(tuán)隊(duì)用組裝病毒作為負(fù)極，其生成的蛋白質(zhì)會(huì)形成納米級(jí)的導(dǎo)線，他們還增大了導(dǎo)線的直徑，從而加快了充電和放電速率。

除此之外，用病毒創(chuàng)建高度有序的電極結(jié)構(gòu)，縮短離子通過(guò)的距離，也能夠增加電池充放電的效率。伊利諾伊大學(xué)材料研究實(shí)驗(yàn)室主任保羅布勞恩（Paul Braun）認(rèn)為這是電池儲(chǔ)能的重要原因。

改進(jìn)的病毒電池可用于驅(qū)動(dòng)汽車(chē)

安吉拉的病毒電池雖然借鑒了鈣分子有序排列形成鮑魚(yú)殼的原理，但目前病毒組裝的電極結(jié)構(gòu)依舊是無(wú)序的，目前，團(tuán)隊(duì)正在研究如何讓病毒組裝成更有序的結(jié)構(gòu)，以此來(lái)提高電池的儲(chǔ)能效率。

“病毒汽車(chē)”的夢(mèng)想

除了病毒電池之外，安吉拉和另外兩位麻省理工學(xué)院的教授合作用病毒組裝技術(shù)開(kāi)發(fā)了能夠發(fā)現(xiàn)腫瘤的納米顆粒。“用CT掃描能夠發(fā)現(xiàn)小到1厘米的腫瘤，但是用這些納米顆粒能夠發(fā)現(xiàn)小到半毫米的腫瘤”，安吉拉補(bǔ)充道，“如果早點(diǎn)發(fā)現(xiàn)毫米級(jí)的腫瘤，并介入治療，可以極大的提高患者的生存率”。

安吉拉對(duì)病毒的基因組進(jìn)行了改造，使其表達(dá)的蛋白質(zhì)不僅能夠與碳納米管結(jié)合，還能夠與癌細(xì)胞產(chǎn)生的蛋白質(zhì)結(jié)合。當(dāng)病毒附著在癌細(xì)胞后，納米管在紅外光的照射下可以發(fā)熒光，熒光的位置即標(biāo)志腫瘤的位置，可以協(xié)助外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)切除。

目前這種技術(shù)僅能夠用于乳腺癌，安吉拉和團(tuán)隊(duì)正在努力將這項(xiàng)技術(shù)用于腦癌和胰腺癌中。

駕駛用病毒電池驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)是安吉拉的夢(mèng)想。市場(chǎng)上主流的電動(dòng)汽車(chē)用到的都是鋰離子電池，根據(jù)公開(kāi)消息，2020年電動(dòng)汽車(chē)的平均續(xù)航在400公里左右。要延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航，要么增加電池的數(shù)量，要么增加電池的容量。

從最初的病毒電池到太陽(yáng)能電池，再到上述提到的鋰空氣電池，安吉拉一直在對(duì)病毒進(jìn)行工程改造，提高電池的儲(chǔ)能效率，以產(chǎn)生可以用作低碳能源系統(tǒng)一部分的材料。■（摘自美《深科技》）