MIT 教授將病毒用于電池、腫瘤檢測，未來計劃用病毒驅(qū)動汽車

胡莉花

一顆普通電池丟棄后，可以污染 60 萬升的水。在各類電池中，鋰離子電池因儲能高、重量輕、污染小等特點一騎絕塵，被廣泛應(yīng)用于手機、電動車、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極，并成功為 LED 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，協(xié)助外科醫(yī)生進行切除。

“病毒電池”的誕生

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

在分析了數(shù)百萬種病毒之后，安吉拉及其團隊確定了 M13 噬菌體，這種病毒遺傳物質(zhì)簡單，易于操作，還可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能用于發(fā)電?！氨M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)細長的病毒，這種結(jié)構(gòu)正好可以用作生物支架。

對 M13 的基因組進行改造后，病毒的表面會生成特定的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)能夠吸附電極材料。當(dāng)對病毒基因組進行不同的工程突變時，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，常用的負極材料是石墨，當(dāng)鋰離子通過電解質(zhì)從負極流向正極時，電池便會發(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較少的設(shè)備，因此也更加便宜。同時，這種病毒經(jīng)過改造后，只會感染特定的細菌，且不會對人體致命。

“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)用物理實驗室的高級電池研究科學(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，將電池正極和負極的材料納米化后，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總統(tǒng)巴拉克奧巴馬展示了這種病毒電池，當(dāng)時，奧巴馬正好計劃撥款 20 億美元用于新型電池的技術(shù)的開發(fā)。

安吉拉抓住了這一機遇。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)用到了太陽能電池、腫瘤檢測燈方面。但不得不注意的是，目前，安吉拉改造的病毒電池僅能為 LED 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)很難實現(xiàn)這種規(guī)模的量產(chǎn)。也就是說，病毒電池暫時沒辦法商業(yè)化，對此，安吉拉解釋道，“與成熟的鋰離子制造商競爭是毫無意義的，我們并不會與當(dāng)前的技術(shù)競爭，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題”。

在安吉拉成功拿到病毒電池的同年，美國康奈爾大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)了碳納米管太陽能電池，碳納米管是由碳原子無隙結(jié)合形成的一種納米級的圓柱狀物體，這種材料的太陽能電池導(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，安吉拉及其團隊在此基礎(chǔ)上，用 M13 病毒將碳納米管太陽能電池的轉(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，M13 還會產(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能板的轉(zhuǎn)換效率，但是這種技術(shù)效率無法和鈣鈦礦型太陽能電池相提并論。鈣鈦礦型太陽能電池的效率已經(jīng)超過了 21%。

現(xiàn)在，安吉拉和團隊也在研究鋰空氣電池，這種電池用空氣中的氧氣作為負極，用鋰離子作為正極。相比較鋰離子電池，鋰空氣電池擁有更高的密度，這意味著，這種電池能夠儲存更多的電量。安吉拉和團隊用組裝病毒作為負極，其生成的蛋白質(zhì)會形成納米級的導(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)材料研究實驗室主任保羅布勞恩（Paul Braun）認為這是電池儲能的重要原因。

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

改進的病毒電池可用于驅(qū)動汽車

“病毒汽車”的夢想

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)開發(fā)了能夠發(fā)現(xiàn)腫瘤的納米顆粒?！坝?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 ”，安吉拉補充道，“如果早點發(fā)現(xiàn)毫米級的腫瘤，并介入治療，可以極大的提高患者的生存率”。

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

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

駕駛用病毒電池驅(qū)動的汽車是安吉拉的夢想。市場上主流的電動汽車用到的都是鋰離子電池，根據(jù)公開消息，2020 年電動汽車的平均續(xù)航在 400 公里左右。要延長電動汽車的續(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能電池，再到上述提到的鋰空氣電池，安吉拉一直在對病毒進行工程改造，提高電池的儲能效率，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》）