引言：本文内容基于博主本人在2014年青少年高校科学营南开大学分营的分组上的科普报告整理而成。博主本人并不从事病毒生理学方面的研究，只是利用病毒作为化学及物理研究的模型。本文中涉及到的很多关于病毒的基础知识的表述仅供参考。文字内容为博主本人原创，图片则来自网络或者相关文献。

这几天科学网博客圈关于病毒的讨论较为热烈，张磊博主的一篇科普博文把正在西非流行的于“埃博拉”病毒带入了人们的视线(图1)[1]。孙学军老师的最新博文介绍了发表在《自然-通讯》杂志上一篇关于人体肠道内的噬菌体（病毒的一种）的最新文章[2]。无疑，“病毒”这两个字往往让人联想到疾病和死亡以及由此带来的恐慌等。历史上已发生多次由于病毒的广泛传播带来的大规模人类死亡的事件。许多人也许对2002年的SARS带来的恐慌还记忆犹新。 HIV病毒的全球大流行不但是生物医学的挑战，更是促进了基于文化﹑哲学的深层次反思。许多小众人类文明的无声无息的消失可能也拜病毒所赐。“埃博拉”病毒更是一些影视作品和书籍的关注对象[3]。

Figure 1. “埃博拉”（Ebola）病毒的电镜照片及其结构示意图。左边电镜照片来源于PLoS ONE 7(1): e29608. doi:10.1371/journal.pone.0029608。右上角展示的是该病毒的一种多倍体（polyploidy），来源于网络。背景图片来源于：

病毒本质上一种高效的传递遗传物质的机器。其结构可以说非常简单，其主体通常是由一个蛋白质构成的容器(Protein capsid, 蛋白质衣壳)，在其内部装载有遗传物质（图2）。如此简单的结构使得DNA双螺旋结构的发现者之一Francis Crick曾说过: “Any child could make a virus”[4]。这中结构上的高度简单，赋予病毒高效的生物适应性和快速的变异能力。当然，也有结构复杂的病毒。许多病毒在其蛋白质衣壳外还有一层包膜（图2）。包膜往往由复杂的糖蛋白﹑脂质体等构成。在这层外衣上面还含有穿膜蛋白和各种识别因子等可以保证病毒轻易地进入宿主细胞或者细菌。含有包膜的病毒通常难以治愈，如HIV, SARS以及埃博拉病毒等都含有非常复杂的包膜。病毒根据其感染的宿主可以分为动物性病毒﹑植物性病毒以及噬菌体(图3)。前两种病毒从字面上不言而喻。最后一种噬菌体(Bacteriophage)，指的是一类以感染细菌为主的病毒，如Ff系列棒状病毒。植物性病毒中以烟草花叶病毒(TMV)最广为人知。病毒的大小一般在几十个纳米范围之内，但也有微米级别以上的病毒被发现 [5]。

Figure 2. 几种典型病毒及其结构示意图。图片来源于网络。

Figure 3. 常见的植物性病毒﹑噬菌体以及动物性病毒。图片来源于网络，本文作者收集整理。

对病毒的研究长期以来无外乎是提取分离得到病毒样本，表征其结构，搞清楚其感染-复制的机理以及传播和致病的途径，然后找到治疗的手段。其一直是病理学家或者生物学家关注的对象。但是20世纪60年代对病毒的广泛研究催生了分子生物学的诞生。英国女科学家Rosalind Franklin通过X射线对烟草花叶病毒结构的表征为James Watson和Francis Crick发现DNA的双螺旋结构提供了重要的数据 [6]，也为至今争论不休的谁是双螺旋结构的真正发现者的话题埋下了伏笔。在抗生素广泛使用以前，基于病毒尤其是噬菌体来抗菌的治疗手段颇为流行，至今仍在俄罗斯和乌克兰等地使用[7]。在抗生素滥用导致的超级致病细菌(superbug)越来越多的情况下，《自然》最近一期关于抗菌材料的专刊里面重提了用病毒(特别是噬菌体)来杀菌的可能性[7]。2013年欧盟的第7次研究框架也资助了名为”PhagoBurn”的项目，旨在重先审视噬菌体病毒用于抗菌的可能性[8]。就博主本人关注的领域，1936年，Bawden等人将一条金鱼放到感染烟草花叶病毒的烟叶提取液里面，观测到了金鱼在游动过程中产生的双折射现象[9]。著名物理化学家Lars Onsager受此启发发展了解释了棒状颗粒形成溶致型液晶的理论，提出了”熵致有序“的概念[10]。

从上述这些早期的例子可以看出，病毒不单单是带来痛苦﹑疾病以及死亡，也为人类知识结构的发展立下了汗马功劳。通过对病毒的深入认识，其很多特性可以为我们所用。这些独有的宝贵特性往往是经过数代近几十万年的进化不断提炼形成的，如能被人类合理使用，具有事半功倍的效果。在前期大量工作的基础上，这方面的开拓者M. Yang 和T. Douglas于2006年在《Science》上发表题为” Viruses: making friends with old foes”的评论文章[11]。当前，病毒已经受到来自物理﹑数学﹑化学以及生物药学等诸多领域研究者的广泛关注。那么，病毒有哪些特性值得我们关注呢？

首先，如前所述，病毒是一台高效的传递遗传物质的机器。一般来说，病毒可以有效地渗透宿主的防御机制而在其体内自由穿梭，可以精准地识别其感染的目标细胞或者细菌。如噬菌体fd或者M13病毒具有特定的蛋白质P3,仅能识别特殊菌株的大肠杆菌并对其进行感染。在识别到目标细胞或者细菌后，病毒通过胞吞或者膜融合的方式将其所包含的遗传物质注入目标细胞或者细菌内部，并利用目标细胞或者细菌的各种原料进行复制组装，在短时间内产生大量的复制体（图4）。可以想象，将病毒包含的固有遗传物质用特定的基因片段或者药物替换，然后利用病毒的高效运载能力和靶向识别能力，可以将基因片段或者药物传递到特定的病症部位的特定细胞内部。这种特性在基因传递修复治疗复杂疾病(viral gene delivery)，靶向药物传输的治疗癌症等方面引起了广泛关注。但是基于病毒的基因传递体系往往会引起较大的免疫反应等副作用而受到冷落。近几年，基于除掉遗传物质的植物类病毒类似颗粒（virus like particle）的靶向药物传输的研究又开始兴起。植物类病毒被认为对人体无害。噬菌体特异性地感染特定的细菌菌株，通过消耗其物质以及大量繁殖后破壳而出导致细菌死亡的特性，真是病毒用于抗菌的背后机理。

Figure 4. 现代电子显微镜技术可以清晰地揭示病毒感染和复制的过程。图片来源于图中所引文献。

其次，基因和化学可改性。由于绝大多数病毒的结构就是一个由蛋白质构成的容器包含有遗传物质。遗传物质的使命就是复制自身和利用宿主内的原材料编码表达构成蛋白质容器的蛋白。因此，可以对病毒所搭载的遗传物质进行人为的修改，加入一些特定的编码片段，从而在病毒的原有的衣壳蛋白表面生长出新的蛋白片段。这些蛋白片段可以作为生物医药，蛋白质酶等。美国科学家Smith发明的Phage display技术无疑是这方面的典范[12]。其二，病毒的蛋白质容器暴露在水体系的蛋白片段部分往往含有大量的官能团，可以用于化学反应，堪称天然的化学反应平台。而且病毒的三维立体结构，提供一种三维立体空间，病毒蛋白质壳内部可用于装载有效的物质，表面则通过化学反应修饰上荧光基团，靶向基团，可以用于生物医学中的成像诊断[13]。

第三，精准的形貌和尺寸。含有包膜的病毒如“埃博拉”病毒形状和尺寸不太规整，往往以多倍体（polyploidy）的形式存在（图1）[14]，即几个病毒可能融合成一个个体。但是绝大部分不含包膜的病毒具有高度统一的形貌和尺寸。这类病毒根据其形貌可分为准球形病毒（quazosphereical）和棒状或者纤维状病毒(filamentousvirus)。前者以豌豆荚病毒为代表。神奇的是，这类准球形病毒的蛋白衣壳往往以多面体(icosahedral)的形式存在，如20面体。这种多面体的对称形式的数学意义以及生物意义引起了来自数学界，物理界的关注。棒状或者纤维状病毒以烟草花叶病毒（TMV）为代表。TMV为一直径为18纳米，长为 300纳米的刚性棒。而我们课题组使用的Ff则直径为6.6纳米，长为880纳米的半柔性纤维状。尽管现代纳米化学的发展使得人们可以合成各种大小形貌的纳米粒子，但很难达到这种由基因控制的精准的形貌，尺寸。因此，病毒是理想的生物纳米粒子，可以用做物理模型来研究一些基本的物理问题。如棒状的烟草花叶病毒，我们课题所使用的纤维状fd/M13噬菌体等，由于结构均一，被广泛用作溶致液晶模型[15]。

最后，病毒的组装行为。对于结构简单的病毒，其蛋白质容器是由数量从几十到上千个不同种类的蛋白质通过一些非化学共价键组装而成的，形成的蛋白质容器往往具备一定的力学刚性，可以承受一定的极端条件如高温和强酸强碱，这样可以很好地保护其内部所搭载的遗传物质。如上述的烟草花叶病毒就是由数千个相同的蛋白质像砌烟囱一样以螺旋的形式堆叠而成的。这种靠非共价键驱动而成的自组装行为堪称现代超分子化学的自然案例。此外，将构成病毒的蛋白质容器的单个蛋白可以在非生理条件下进行自发组装，可以构建病毒类似颗粒用于装载各种药物等。除了这种在蛋白质层次上的组装外，我们课题所使用的纤维状fd/M13噬菌体在形成向列型液晶后，能在三维空间以手性螺旋的方式排列(图5)。这种排列方式的起因至今仍是一个谜 [15]。

Figure5. 纤维状fd/M13噬菌体形成的手性向列型液晶。

当然病毒还有许多其他优异的特性。上述几个特性在病毒的利用方面发挥非常重要的基石。此外，值得欣慰的是，植物性病毒以及多种噬菌体已经被证实对人体无害。正式这些特性，病毒在生物医学，纳米技术，物理以及化学方面引起了广泛的关注，近几年涌现出许多知名的课题组。MIT的Angla Belcher课题组采用Phage display技术在噬菌体M13的表面长出喜欢某一特定无机材料的蛋白质片段，从而将病毒作为模板来制备许多基于病毒的纳米功能材料，如2009年发明所谓的病毒电池的原型曾被展示给总统奥巴马[16]。在病毒的化学改性方面，以Scripps研究所的M.G. Finn教授为代表，对一类球形植物病毒进行了各种化学改性修饰并探索了其在生物医学方面的应用[17]。Mark Yang和T. Douglas联手在类病毒粒子(VLP)用作纳米容器来装载纳米粒子，提供化学反应受限空间等方面的进行了大量的研究[18]。物理模型方面，以美国Brandies大学的Seth Fraden和其学生ZvonimirDogic为代表，后者近几年在纤维状病毒的三维可控组装方面取得了许多突破，工作多发表在Nature及其子刊上[19]。美国的华裔学者如Wang Qian, Mao Chuanbin等在相关领域也有很多成果[20]。国内现在有几个课题组开始这方面的研究。自2011年6月以来，在前期工作的基础上，我们开始了用化学改性的方法调控纤维状fd/M13噬菌体三维组装并将其物理性能转换为有用的材料性能的研究方向。我们采用纤维状fd/M13噬菌体，通过在其表面修饰上响应性高分子，制备了基于病毒的纳米纤维状水凝胶[21]。同时通过表面化学改性来调控纤维状fd/M13噬菌体的三维手性液晶的排列[22]。如在这类fd/M13噬菌体的表面修饰上糖响应的基元后，可以利用糖类来调控其手性液晶行为。这些工作得到了国家自然科学基金和天津市自然科学基金的支持。

“知己知彼，百战不殆”，人类与病毒战斗的过程就是对病毒的深刻认识的过程。自然界仍然存在许多不为人知的病毒，对其优异特性的认识有助于解决我们人类面临的一些科学难题。如一些存在于温泉的高度噬热的病毒，其蛋白质壳具有耐高温的特性。病毒可能早于人类存在于这个星球，已经伴随了整个人类历史的发展，也将继续与人类共存下去。“化敌为友，为我所用”可能是与病毒共存的一种较好的策略。

References

[1]http://blog.sciencenet.cn/blog-520749-816176.html

[2] http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-816545.html

[3] 美国电影《极度恐慌》（Outbreak)。纪实小说《高危地带》, 作者: 理查德·普莱斯顿。

[4] Angela N.H. Creager, The PlantCell 11(3), 301-308 (1999)

[5] Science 341, 281 (2013);

[6] Franklin R.E. Nature 175,379–381 (1955); Nature 177, 928–930 (1956)

[7] Nature, Volume 509 Number 7498 pp7-128, 1 May 2014

[8] http://www.phagoburn.eu/

[9] Bawden, F. C., Pirie, N. W., Bernal, J. D., & Fankuchen, I.Liquid crystalline substances from virus-infected plants. Nature, 138,1051-1052 (1936).

[10] Onsager L. The effects ofshape on the interaction of colloidal particles[J]. Annals of the New YorkAcademy of Sciences, 1949, 51(4): 627-659.

[11] Douglas T, Young M. Viruses:making friends with old foes[J]. Science, 2006, 312(5775): 873-875.

[12] Smith G P. Filamentous fusionphage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virionsurface[J]. Science, 1985, 228(4705): 1315-1317.

[13] Bruckman, M. A., Jiang, K.,Simpson, E. J., Randolph, L. N., Luyt, L. G., Yu, X., & Steinmetz, N. F.(2014). Dual-modal magnetic resonance and fluorescence imaging ofatherosclerotic plaques in vivo using VCAM-1 targeted tobacco mosaic virus.Nano letters, 14(3), 1551-1558.

[14] PLoS ONE 7(1): e29608.doi:10.1371/journal.pone.0029608

[15] Dogic Z, Fraden S. Orderedphases of filamentous viruses[J]. Current Opinion in Colloid & InterfaceScience, 2006, 11(1): 47-55.

[16] http://belcherlab.mit.edu/

[17] http://ww2.chemistry.gatech.edu/groups/finn/

[18] http://www.chemistry.montana.edu/douglasgroup/index.html

[19] http://www.brandeis.edu/departments/physics/complexfluids/dogic/index.html

[20] http://www.chem.sc.edu/faculty/wang/index.html

[21] Cao, J., Liu, S., Chen, Y.J., Shi, L., & Zhang, Z.* (2014). Synthesis of end-functionalized boronicacid containing (co) polymers and their bioconjugates with rodlike viruses formultiple responsive hydrogels. Polymer Chemistry. 2014, DOI: 10.1039/C4PY00508B

[22] Cao, J., Liu, S., Xiong, J.,Chen, Y., & Zhang, Z. (2014). Stimuli responsive chiral liquid crystalphases of phenylboronic acid functionalized rodlike viruses and theirinteraction with biologically important diols. Chemical Communications.