讓病毒為人類“打工”

莫然

說起病毒，我們常常聞之色變，殊不知，在科學家的手中，病毒有著神奇的作用。

美國麻省理工學院的生物學家安吉拉·貝爾徹是“雇傭”病毒干活的老手。攻讀博士學位期間，貝爾徹研究了鮑魚形成外殼的機制，發現鮑魚能分泌一種蛋白質，迫使碳酸鈣分子定向排列，從而形成堅硬的外殼。貝爾徹想，碳酸鈣是一種無機化合物，工業中也用到許多無機化合物，那么，她能不能找到像鮑魚這樣能控制無機物的生物，讓它們作為工人進行生產呢？

在多次考察和試用后，貝爾徹選出了優秀“工人”——M13噬菌體。M13噬菌體是一種寄生于細菌且對人體無害的病毒，它長得十分“苗條”，一條單鏈DNA封裝在圓柱形的蛋白質外殼中，兩端有幾個其他類型的蛋白質。貝爾徹發現，同一個噬菌體側面和兩端的蛋白質能吸附不同的物質分子，而且不同的噬菌體吸附的分子也不相同，她可以通過實驗找出最適宜與某種分子結合的噬菌體：將噬菌體投入到含有某種物質的燒杯中，然后增加溶液的酸性，洗去不能與該物質結合的噬菌體，如此反復多次，就能找到最佳噬菌體。

除了這種笨拙的方法外，基因工程的發展也幫了貝爾徹大忙。運用基因工程改變噬菌體兩端的蛋白質，貝爾徹就可以批量制造出能粘接不同分子的噬菌體，再加上噬菌體側面的蛋白質也具有吸附能力，用這些噬菌體作為橋梁就可以制造出數十億種有各種特殊功能的結構。

噬菌體“工人”的第一份工作是制造電池。傳統鋰離子充電電池常使用鋰化合物作為正極材料，用石墨作為負極材料，當鋰離子通過電解質從負極流向正極時，電池便會發電，充電時離子流向則相反。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，對環境也不友好，而病毒的加入能改變這個狀況。

貝爾徹從許多改造過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極。研究人員把相應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數厘米的導線，從而可以被織成薄膜。將這些薄膜疊加成三明治結構，中間充滿水，一塊病毒鋰電池就制成了。

病毒鋰電池的優點很明顯，與傳統鋰電池相比，病毒鋰電池更易降解，由于制造過程需要相對較少的設備，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備中。

病毒電池

噬菌體用途一覽

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

很快，貝爾徹又為噬菌體找到了第二份工作：改良存儲性能。

相變存儲器是一種理想的計算機存儲器，它通過電流和磁場的開關改變存儲材料的狀態從而進行數據閃存。與其他存儲器相比，相變存儲器同時具有存儲容量大、存儲速度快、即使斷電存儲數據也不會消失等優點，因此，相變存儲器一出現就幾乎打敗了其他傳統存儲器。可是，相變存儲器有一個難以解決的技術難點，其原材料與制造工藝具有不可協調的矛盾。

相變存儲器常用到的一種原材料叫做銻化鎵，它是存儲器實現功能必不可少的原料，它在不同溫度下發生晶體和非晶體的轉變是實現存儲功能的基礎。但是，銻化鎵在溫度達到約347℃時會發生分解，從而喪失功能，而相變存儲器的制造過程中需要使用到347℃以上的溫度，兩者的矛盾長期以來都得不到解決，成了相變存儲器的一大制造難點。

噬菌體的出現解決了這個矛盾，它直接替換了銻化鎵。貝爾徹團隊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別的鍺錫氧化物導線。將這些導線編織成塊，它就能取代銻化鎵，成為相變存儲器的主要原材料。鍺錫氧化物的分解臨界點約為447℃，用它來制造相變存儲器，就不用擔心分解失效的問題。

噬菌體的吸附作用還有一個妙用，那就是檢測漏洞。有一種噬菌體，能吸附半導體材料砷化鎵，而對它的“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影響其性能，這使它可以被用來檢測芯片上的缺陷。在用氮化鎵晶體制造芯片時，如果晶體原子沒有恰當結合，就會在局部位置產生微小的孔隙，這些孔隙長期累積會使芯片變形，最終會影響到電學特性。將噬菌體添加到芯片上，噬菌體就會大量聚集在孔隙處，如果讓噬菌體帶上熒光標記，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——腫瘤細胞也可以被噬菌體檢測出來。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，會激發出強度高、穩定性好的熒光，很容易被檢測到。將這些噬菌體注入人體，當噬菌體吸附到腫瘤細胞的蛋白質上時，醫生就可以通過檢測熒光來發現腫瘤細胞。用這個方法能夠發現小到半毫米的腫瘤塊，而傳統的CT掃描只能發現直徑最小為1厘米的腫瘤，這對癌癥患者意義重大，因為早發現早治療是提高癌癥治愈率的重要條件。

不要再談“毒”色變了，正確認識并運用病毒，它們也能發揮出巨大作用。