这大概是我看到最开脑洞的病毒应用啦

“尺有所短，寸有所长”，这句古老的谚语提醒我们，即便是最不起眼的事物，也有其独特的价值和作用。在这个世界上，没有绝对的强大或弱小，只有相对的优势和局限。

在科技领域，这个原则同样适用。纳米技术就是一个很好的例子，它利用极小的尺度来创造强大的材料和设备。在医学上，微小的病毒也可以被用来开发新的治疗方法，治愈以前被认为是不治之症的疾病，甚至可以制作成电池，提供清洁的能源。

总之，无论是自然界的微小生物，还是人类社会中的简单工具，只要我们能够发现它们的优势，合理地利用它们，即使是最微小简单的事物，也能发挥出超乎想象的“超能力”。这不仅是对事物多样性的赞美，也是对智慧和创造力的颂歌。

说起病毒，我们常常闻之色变，殊不知，在科学家的手中，病毒有着神奇的作用。

之前我曾提到过"噬菌体浑身都是宝"，而今天这个大开脑洞的应用，或许你从来没想到过！

“雇佣”病毒干活

美国麻省理工学院的生物学家安吉拉·贝尔彻是“雇佣”病毒干活的老手。攻读博士学位期间，贝尔彻研究了鲍鱼形成外壳的机制，发现鲍鱼能分泌一种蛋白质，迫使碳酸钙分子定向排列，从而形成坚硬的外壳。

▲鲍鱼壳. 图片来自：Monad Centre of Balance

贝尔彻想，碳酸钙是一种无机化合物，工业中也用到许多无机化合物，那么，她能不能找到像鲍鱼这样能控制无机物的生物，让它们作为工人进行生产呢?

在多次考察和试用后，贝尔彻选出了优秀的“工人”——M13噬菌体。M13噬菌体是一种寄生于细菌且对人体无害的病毒，它长得十分独特，一条单链DNA封装在圆柱形的蛋白质外壳中，两端有几个其他类型的蛋白质。

贝尔彻发现，同一个噬菌体侧面和两端的蛋白质能吸附不同的物质分子，而且不同的噬菌体吸附的分子也不相同，她可以通过实验找出最适宜与某种分子结合的噬菌体：将噬菌体投入到含有某种物质的烧杯中，然后增加溶液的酸性，洗去不能与该物质结合的噬菌体，如此反复多次，就能找到最佳噬菌体。

除了这种费力的方法外，基因工程的发展也帮了贝尔彻的大忙。运用基因工程改变噬菌体两端的蛋白质，贝尔彻就可以批量制造出能粘接不同分子的噬菌体，再加上噬菌体侧面的蛋白质也具有吸附能力，用这些噬菌体作为桥梁就可以制造出数十亿种有各种特殊功能的结构。

制造病毒电池

噬菌体“工人”的第一份工作是制造电池。传统锂离子充电电池常使用锂化合物作为正极材料，用石墨作为负极材料，当锂离子通过电解质从负极流向正极时，电池便会发电，充电时离子流向则相反。想要提高电池的效率，需要使用浓度更高的电解液，这提高了电池的成本，对环境也不友好，而噬菌体的加入能改变这个状况。

早在 2009 年，由安吉拉·贝尔彻带领的科研团队就已经利用一种直径只有 6 纳米的噬菌体，制造出只有细胞大小的微型电池。

这项研究还吸引了时任美国总统奥巴马的兴趣，贝尔彻受邀前往白宫为奥巴马展示了这种病毒电池。当时奥巴马正计划投入 20 亿美元用于支持新电池技术的开发，而贝尔彻的病毒电池则揭示了电池领域一个新的方向。

▲  图片来自：wired

到底科学家是怎么用噬菌体病毒来制造电池的？病毒电池和普通电池又有什么不同？要解答这些问题，首先需要简单了解电池的工作原理。

一般的锂电池的放电和充电，是内部的锂离子通过电解液在正极和负极之间运动实现的，正极使用的材料一般为磷酸盐，无论是硫酸盐还是锂离子，这种材料也广泛存在地球各种生命体中，因此用生物来制作电池在逻辑上是可行的。

不过要制造这种电池，首先就要找到可以充当电极和导线的生物结构。一开始贝尔彻打算用采用人造神经纤维，因为动物的神经纤维末梢就是天然的纳米导线，但这种方式的成本和技术难度都太高，最终只能放弃。

后来贝尔彻在鲍鱼壳身上找到了答案，他们发现鲍鱼可以分泌出一种蛋白质，可从富含矿物质的水中提取碳酸钙分子，并让其在体内定向排列，从而形成鲍鱼壳。于是贝尔彻将编码这种蛋白的基因移植到病毒，让病毒拥有生成纳米结构的能力，用来制作电极和导线。

在自然情况下，鲍鱼要形成一个完整的贝壳需要 15 年，而经过基因编辑，在实验室内病毒生产一个电极只需要两星期。

研究团队在分析了数百万种病毒后，最后选择了 M13 噬菌体，这是一种形似雪茄的病毒，直径只有 6 纳米，长度 880 纳米。这种病毒除了可以将机械能转化为电能，而且遗传物质简单，易于操控。

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▲ M13噬菌体病毒的微观结构（a为整体结构，b为一端的结构模拟立体视图），

通过基因改造，噬菌体“学会”了发电，成为能提高锂电池电量和功率的重要材料

与鲍鱼类似，这种病毒会在表面生成一种蛋白质，吸附氧化钴微粒并覆盖在外壳，当数百万个病毒连接起来，就能形成一条氧化钴线，可以作为电极使用。

贝尔彻从许多改造过的噬菌体中找到了最适合吸附氧化钴和磷酸铁的噬菌体，这两种材料分别可以用于制造电池的正极和负极。研究人员把相应噬菌体投入到化合物溶液中，让噬菌体全身“镀金”，这些噬菌体甚至还可以相互连接形成长数厘米的导线，从而可以被织成薄膜。将这些薄膜叠加成三明治结构，中间充满水，一块病毒锂电池就制成了。

通过这种方式制造的电池，不仅能提升电池的能量密度、寿命和充电效率，生产过程也更加环保。相比于微型电池所用的碳纳米管电极材料，病毒组装而成的电极储能效率提升了两倍。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的高级电池研究科学家 Konstantinos Gerasopoulos 表示，使用噬菌体病毒的好处在于，它们本身就以纳米结构的形式存在，本质上就是用于合成电池材料的天然模板。此外这种电池报废后可生物降解，不会像过去的锂电池一样对环境造成污染。

经过 10 年的研究，贝尔彻的病毒电池已经取得了不少新的突破。病毒已经可以和 150 多种材料一起使用，用以制造太阳能电池等产品。

虽然目前这种病毒电池只能给手电筒，激光笔，手表和 LED 灯等小型电子设备供电，但是贝尔彻一直在尝试将这种技术推出市场，她与别人联合创办了两家生物科技公司，Cambrios Technologies 和 Siluria Technologies，就是利用病毒来合成用于触控屏的纳米线，以及将二氧化碳转化为乙烯。

▲ 贝尔彻的病毒电池原型机. 图片来自：MIT Museum

但要实现贝尔彻理想中的“病毒电池驱动的汽车”，目前还难以做到，病毒电池的商业化存在两个比较大的问题。

一是病毒体积太小，可一般电池工厂所需的原材料高达数十吨，以目前的生物分子技术实现这种规模的量产并不容易，但 Gerasopoulos 也表示“这个障碍未来并非无法克服”。

二是病毒电池部分性能还比不上传统的电池，贝尔彻曾用病毒制造太阳能电池，但其技术效率无法和钙钛矿型太阳能电池相提并论。

病毒锂电池的优点很明显，与传统锂电池相比，病毒锂电池更易降解，由于制造过程需要相对较少的设备，病毒锂电池也更加便宜。而且病毒锂电池的电极间距离很短，也使充电和放电更加迅速。此外，噬菌体可以结合在各种材料的表面上，由此形成的电池重量更轻、体积更小，可以用在微型电子设备中。

当然，其缺点也很突出，作为连接桥梁的噬菌体太小了，能承载的正负极材料十分有限，直接导致电池电能较小，目前仅能为LED灯、手电筒、激光笔等小型设备供电。不过，贝尔彻并未放弃，近年来，碳纳米管、钙钛矿半导体等电极材料相继涌现，将之用噬菌体连接成电池，电池的性能也得到了大幅提升，将来如果能再提升改造噬菌体的产量，病毒锂电池也许就能跟大家见面了。

改良存储性能

贝尔彻还为噬菌体找到了第二份工作：改良存储性能。

相变存储器是一种理想的计算机存储器，它通过电流和磁场的开关改变存储材料的状态从而进行数据闪存。与其他存储器相比，相变存储器同时具有存储容量大、存储速度快、即使断电存储数据也不会消失等优点，因此，相变存储器一出现就几乎打败了其他传统存储器。可是，相变存储器有一个难以解决的技术难点，其原材料与制造工艺具有不可协调的矛盾。

相变存储器常用到的一种原材料叫做锑化镓，它是存储器实现功能必不可少的原料，它在不同温度下发生晶体和非晶体的转变是实现存储功能的基础。但是，锑化镓在温度达到约347℃时会发生分解，从而丧失功能，而相变存储器的制造过程中需要使用到347℃以上的温度，两者的矛盾长期以来都得不到解决，成了相变存储器的一大制造难点。

噬菌体的出现解决了这个矛盾，它直接替换了锑化镓。贝尔彻团队制造了一种能吸附锗锡氧化物的噬菌体，在噬菌体的作用下，很快就能形成一条条纳米级别的锗锡氧化物导线。将这些导线编织成块，它就能取代锑化镓，成为相变存储器的主要原材料。锗锡氧化物的分解临界点约为447℃，用它来制造相变存储器，就不用担心分解失效的问题。

检测“系统”漏洞

噬菌体的吸附作用还有一个妙用，那就是检测漏洞。有一种噬菌体，能吸附半导体材料砷化镓，而对它的“近亲”氮化镓却不敏感，因此将这种噬菌体加入氮化镓电子元件中不会影响其性能，这使它可以被用来检测芯片上的缺陷。在用氮化镓晶体制造芯片时，如果晶体原子没有恰当结合，就会在局部位置产生微小的孔隙，这些孔隙长期累积会使芯片变形，最终会影响到电学特性。将噬菌体添加到芯片上，噬菌体就会大量聚集在孔隙处，如果让噬菌体带上荧光标记，我们就能用显微镜观察到这处缺陷。

不止是电子元件的漏洞，就连人体的漏洞——肿瘤细胞也可以被噬菌体检测出来。在噬菌体的一端先吸附上金、银等金属纳米颗粒，这些颗粒接收到能量后，会激发出强度高、稳定性好的荧光，很容易被检测到。将这些噬菌体注入人体，当噬菌体吸附到肿瘤细胞的蛋白质上时，医生就可以通过检测荧光来发现肿瘤细胞。用这个方法能够发现小到半毫米的肿瘤块，而传统的CT扫描只能发现直径最小为1厘米的肿瘤，这对癌症患者意义重大，因为早发现早治疗是提高癌症治愈率的重要条件。

贝尔彻利用病毒组装技术开发出能发现肿瘤的纳米粒子，可以发现那些以为体积太小而无法被医生发现的癌组织，这对早期癌细胞的检测有很大提升。

当这种病毒纳米粒子进入体内，会定向附着在癌细胞上，在红外光照射下会发出荧光，以此来标记癌细胞的位置。在对小鼠的实验中，这项技术成功让接受卵巢癌手术的小鼠寿命延长 40%。

不要再谈“毒”色变了，正确认识并运用病毒，它们也能发挥出巨大作用。

可以预见，人工智能大模型和大数据的运用将显著加快噬菌体功能及其应用研究的步伐。

同时，随着来自不同学科领域研究者的积极参与，我们有望发掘出噬菌体更多令人惊叹的超能力。

——此时，我不由得又想到了学科交叉对于科研创新的重要意义，也希望各相关学科精英能们建立更加广泛的合作，共同推进噬菌体产业的发展！

总之，大自然是一个神奇的问题解决者。用生物学来解决尚未解决的问题，创造了无限的机会来推进人类的技术创新。

在人类历史上，病毒一直被视为疾病和死亡的媒介。但我们还可以利用这种使人致命的独特特性做更多的事情，并不局限于能源电池。虽然还不确定我们离驾驶一辆病毒驱动的特斯拉还有多远，但这个前景相当诱人。

科幻电影《黑客帝国》曾描绘过一个完全靠生物电池提供的世界，只不过电影里是人类被当做电池，来为机器人提供电力。

电池的未来，或许就这个星球的生物体内。

在某种程度上，大自然提供了一个新的边界来解决迄今为止还没有解决的问题——而我们，多看看其他人的研究，或许就能收获很多非常宝贵的启发！

附上研究者大牛的简历：

Angela Belcher教授是麻省理工学院生物工程、材料科学和科赫综合癌症研究所的教授，也是麻省理工学院生物工程系主任。她是一名生物和材料工程师，在生物材料，生物分子材料，有机-无机界面和固态化学和设备领域拥有专业知识。她的主要研究重点是开发用于能源，电子，环境和医学的新材料。

Belcher 1991 年毕业于加州大学圣巴巴拉分校 （UCSB），获得创意研究学院学士学位。她可以自由设计自己的专业，并以此为契机将化学、生物学、物理学和生态学领域结合起来，开发自己的课程，为她目前的成功奠定了基础。Belcher 随后于 1997 年在 UCSB 完成了无机化学博士学位，并担任博士后研究员。1999 年，她在德克萨斯大学奥斯汀分校化学和生物化学系担任助理教授，然后于 2001 年加入麻省理工学院。她目前是生物工程和材料科学与工程的 James Mason Crafts 教授，以及生物工程系主任，以及 David H. Koch 综合癌症研究所的校内教员。

Belcher 已经成立了两家公司。Cambrios Technologies 成立于 2003 年，旨在将生物形成的电子材料商业化，包括用于触摸屏和显示应用的透明导体材料。Siluria Technologies 成立于 2007 年，利用病毒的基本成分来识别新材料，将天然气转化为高价值的液体运输燃料。

Angela Belcher 因其成就而获得无数奖项和荣誉，包括 2002 年被《财富》杂志评为 40 岁以下的 10 大创新者，以及麻省理工学院技术评论的 100 强发明家 （TR100）。她还获得了 2004 年麦克阿瑟基金会天才奖、2006 年流行力学突破奖和 2006 年《科学美国人》年度研究领袖奖。2006 年，她因其与气候变化相关的研究而被《时代》杂志评为“英雄”，并在 2009 年被《滚石》杂志评为改变国家的 100 大人物之一。她还在 2010 年获得了 Eni 可再生能源和非常规能源奖。她的研究成果发表在包括 Science 和 Nature 在内的许多著名科学期刊上，并在 Fortune 、Forbes、Discover、The New York Times 和 The Wall Street Journal 等大众媒体上进行了报道。

她创办了五家公司。她还拥有36项专利，其中许多正在申请中。2019年7月，她接任麻省理工学院生物工程系主任。2022年，她加入了新兴生物技术国家安全委员会。2022 年 5 月 12 日，Angela Belcher 当选为美国国家科学院院士，以表彰她在生物医学工程领域的贡献和研究。

参考文献：

1. Paczesny J, Bielec K. Application of bacteriophages in nanotechnology[J]. Nanomaterials, 2020, 10(10): 1944.

2. 大科技杂志社.让病毒为人类“打工”.https://news.qq.com/rain/a/20241018A00WIV00

3. 爱范儿.未来的电池，可能是用病毒做的. https://men.fanpiece.com/ifanr/%E6%9C%AA%E4%BE%86%E7%9A%84%E9%9B%BB%E6%B1%A0-%E5%8F%AF%E8%83%BD%E6%98%AF%E7%94%A8%E7%97%85%E6%AF%92%E5%81%9A%E7%9A%84-%E8%BF%91%E6%9C%AA%E4%BE%86%E3%89%98-c1371094.html

4. Lee Y J, Yi H, Kim W J, et al. Fabricating genetically engineered high-power lithium-ion batteries using multiple virus genes[J]. Science, 2009, 324(5930): 1051-1055. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1171541

5. 参考链接：https://www.wired.com/story/the-next-generation-of-batteries-could-be-built-by-viruses/

6. 如果想了解更多，还可以看Belcher的TED演讲：Using nature to grow batteries. https://www.ted.com/talks/angela_belcher_using_nature_to_grow_batteries?language=zh-cn#t-67253

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