互动科普

多年来，材料科学家一直在思考一个问题：鲍鱼是如何利用一些平淡无奇的材料，构建出华丽而坚固的外壳？只要找到答案，他们就可以利用相似的原理，把普通的材料变成价值不凡的产品。安杰拉·M·贝尔彻（Angela M. Belcher）的设想更是绝妙：为什么不让鲍鱼为我们打工呢？

在鲍鱼的身体和外壳之间，贝尔彻安插了一块薄薄的玻璃片。过了一段时间，她把玻璃片取出来。“我们得到了一颗扁平型珍珠，”贝尔彻说：“这样，我们就可以一步一步地研究鲍鱼外壳形成的整个过程，而动物也不用‘担心’会失去生命。”研究结果显示，鲍鱼可以分泌特殊蛋白质，诱导碳酸钙分子形成两种截然不同而又紧密结合的晶体结构，其中一种结构坚硬，另一种则能快速增长。对贝尔彻而言，这项研究不仅使她在1997年获得了美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的博士学位，还为她日后的事业奠定了基础：现在她已经是美国麻省理工学院教授和珍珠产业界知名顾问，还是加利福尼亚州山景城一家新兴公司——Cambrois公司的创始人。

贝尔彻酝酿着一个宏伟的计划，她想开发一种能调动周围各种分子的生物制剂，让这些分子像砖块一样，构建出我们需要的结构——在纳米科技领域，这种方法叫作自组装技术。但是为了使这项计划得以启动，贝尔彻还得解决一个难题，那就是鲍鱼过于“娇贵”，而且生长速度过于缓慢。因此，她需要找到一种更适于试验的替代品：体形要小，生命力要强，而且要易于改造，就像著名的“麦克斯韦妖”和“圣诞小精灵”的混合体。

贝尔彻尝试过单克隆抗体，因为经过基因工程改造后，它们能吸附很多分子。但事实证明这种方法很难成功。到了20世纪90年代中期，她意外了解到一种又细又长、能寄生于细菌、对人体无害的M13噬菌体。这种噬菌体大约6纳米宽、1微米长，由纤长的蛋白质外壳和包裹在外壳内的单链DNA组成。蛋白外壳的壳体由一种蛋白的2,700个拷贝排列连接而成，外壳两端则由其他几类蛋白的拷贝封闭。各种蛋白经过基因工程改造后，可以将噬菌体“改容换貌”，足以产生不下10亿种噬菌体，而每一种噬菌体都可以吸附特定的化学物质。一个噬菌体的躯干可以吸附一种化学物质，两个末端则可吸附另外两种化学物质。

在生物学实验室，M13噬菌体早已是“熟客”。由于它能吸附特定的有机物质，生物学家常用它来鉴定未知样品。不过，在贝尔彻之前，没人知道M13噬菌体还能标记和调控无机分子，例如金属和半导体核心元件等，正是她首先发现了这一现象。借助生物学进行物理学研究，就算在整个人类历史上也不多见。生物学家已经完成了大量的基础研究，贝尔彻只须花费大约300美元，就能购得含有无数噬菌体突变体的噬菌体展示文库。

为了获得与特定分子相连接的噬菌体，贝尔彻采用了定向分子进化技术。她解释道：“我们把数十亿种噬菌体与特定物质一起放进烧杯，然后反复冲洗，看看到底哪些噬菌体能与这种物质结合。通过改变噬菌体与物质表面的相互作用，比如降低pH值，我们将那些能够与该物质结合的噬菌体剥离下来，然后收集起来，用它们感染细菌、进行扩增。”

噬菌体的妙用

扩增提供了数以万亿计的噬菌体子代拷贝，为下一阶段的“进化”做好准备。在这次“进化”过程中，溶液中的反应条件经过了改变，使噬菌体与靶物质的结合更加困难。那些吸附能力较弱的突变体再一次被“淘汰”，“顺利晋级”的则再次扩增。整个过程会在条件越来越苛刻的环境下重复多次。反复筛选的过程可能长达3个星期，最终只有一种噬菌体突变体能够成功胜出。与其他噬菌体相比，它的选择性吸附能力是最强的。

在含有金离子的溶液中，放入对金离子有高度吸附能力的噬菌体后，噬菌体表面便会镀上一层金离子，形成一根1微米长的导线，可用于连接微电路元件。这种噬菌体突变体甚至可以相互连接，形成几厘米长的金导线，这些导线可以像纺纱一般织进纤维布料。与化学敏感性传感器相连之后，这种导线可以检测有毒物质或对生物具有危害的化学制剂。

一两年前，贝尔彻通过试验，获得了能固定金离子的酵母细胞。虽然酵母细胞有6微米宽，在一些试验中犹如携带了荧光标记一般，很容易识别，不过迄今为止，这种细胞还没有任何实际应用。在美国麻省理工学院，她的学生在学习如何利用有机体作为材料基础的过程中，已经把固定金离子当作了一道习题。

虽然贝尔彻一直在检测其他有机体的试验价值，但她仍把注意力集中在M13噬菌体身上，部分原因在于，M13拥有极佳的长宽比，可以自然地组装成更为复杂的形状。贝尔彻说：“我们可以把M13噬菌体想象成盒子里的蜡笔。如果蜡笔不多，你使劲摇动，那么它们会随机排列。但是如果我们增加盒子里蜡笔的数量，它们就倾向于有序地排在一起。”利用反复筛选得到的M13噬菌体，她已经制备了一块面积为10平方厘米、厚度不到1微米的薄片。后来她还利用奇特的化学交联反应，使这种薄片结构得以稳定存在。

现在，贝尔彻与麻省理工学院的同事蒋一明（Yet-Ming Chiang，音译）、保拉·哈蒙德（Paula Hammond）和南齐太（Ki Tae Nam，音译）一道，正准备以这种薄片为电极，开发一种超轻型锂离子电池。这一项目得到了美国军方的资助。她说：“对他们来说，电池的重量是个大问题，几架首批进入伊拉克巴格达地区的飞机装满了电池。相比重达数克的传统电极，我们的电极只有40毫克～50毫克（1毫克为1/1000克）。”

在培养噬菌体薄片时，如果让它们能够自我包被一层金离子和氧化钴，就可以形成负电极。金离子能增加导电性，氧化钴的作用则是与电池的电解质交换离子。离子交换的过程就是让电荷从一个电极移向另一个电极。这种噬菌体电极还可以直接组装在预制的聚合物电解质上，形成双层结构。现在，贝尔彻研究小组的努力方向就是，将噬菌体培养成正的对电极（counterelectrode），然后附着在电解质的另外一侧。

这项研究的目的在于，让噬菌体薄片形成一种固体结构，使其表面有正负电极相互交替，就可以在高电压的情况下，将这些薄片相互串联起来。由于电极之间的距离短，可以快速充电、放电，使得各个组件得以优化利用。另外，这类电池还可以根据设计人员的需要，放到任何位置，为电子产品省下不少重量和空间。不论是对军用电子设备还是超薄型MP3播放器来说，这一点都尤为重要。

似乎没什么物质是噬菌体不能分辨的。有种噬菌体只对砷化镓半导体材料特别敏感，而对它的“近亲”氮化镓却不敏感。我们可以利用它的这种辨别能力，去探测芯片中的瑕疵。有时，芯片制造商会在一些半导体表面培养上述物质的结晶，这样晶体点阵间距的细微差异就会导致机械应变的产生，接着就会影响电子的行为方式。当晶体结构不够严谨时，偶尔就会有原子在不该突出的位置突出出来，形成缺陷。特殊的噬菌体可以吸附在这些缺陷之上。如果这种噬菌体还携带着荧光标记，它就会在适当的条件下闪闪发光。通过显微镜，我们就能准确发现这些缺陷。

宏伟蓝图

不过，贝尔彻对这项技术的探索还远未到达终点，她说：“我们想看看这项技术是否能应用于检测领域，比如检测机翼等产品的制造缺陷。”贝尔彻研究小组还想诱导M13噬菌体，利用半导体分子制造出完整的晶体管，技术成熟后，就可以进行晶体管的大批量生产。她承认，病毒晶体管并不一定会比常规晶体管更好、更小，但病毒晶体管的优点在于，它们生产时无须使用有害的化学试剂，生产过程中产生的有毒废弃物也更少。

贝尔彻还希望用自己的技术“回报”生物化学。她打算“赋予”M13噬菌体两种能力：既能与癌细胞结合，又能吸附纳米量子点（这种物质常用于医学全身扫描）。目前，纳米量子点用于人体扫描的安全性还不能让人们放心，部分原因在于它含有重金属成分，特别是镉。贝尔彻则试图让她的噬菌体吸附更安全的晶体颗粒，如氮化镓、氮化铟或其他半导体微粒。这项研究得到了美国国家癌症研究院的资助。

在麻省理工学院，贝尔彻的大多数研究项目要实现商业化，仍需要多年的努力。但是，她参与创办的Cambrois技术公司必须研制出能够在两年内推向市场的应用产品，否则他们的资金就会消耗殆尽。公司的CEO兼董事会主席迈克尔·纳普（Michael Knapp）指出，从三年前公司创立开始，经过两轮融资，共筹集到1,400万美元，建立了一个实验室，雇用了20名员工。公司花钱比“烧钱”还快，一年就要用掉500万美元。他说，Cambrois公司正致力于开发体积小、收益高的微型产品：一种以柔软塑料薄板为基底的触摸屏。

美国军方想把这种屏幕黏合在挡风玻璃上面，这样一来，电脑界面就可以立即闪入驾驶员的视野。设计人员还想把这种屏幕做成柔性显示器，在空闲不用的时候可以把它卷起来，以节省空间。目前的生产工艺还无法生产柔性显示器，因为生产过程所必需的温度会熔化塑料背板。

纳普说：“我们打算在2007年推出第一个产品。无论如何我们都要把这个产品做好，由于电子企业倾向于从已知渠道购买材料，因此几乎可以肯定的是，我们会去找合作伙伴。”

贝尔彻依然为Cambrois公司的多个研究项目提供咨询服务，同时也没有停止自己的研究工作。她的解释是，虽然Cambrois公司有权使用她的病毒制造技术，但她目前的研究成果仍归她个人与麻省理工学院所有。例如，贝尔彻在麻省理工学院的研究小组致力于病毒电池的开发，而Cambrois公司则把精力放在了室内触摸屏上面。

“我非常喜欢做基础性研究，然后把成果转让给一家公司，”贝尔彻说。她还申明，愿意与其他公司合作。不过她不愿明确透露自己的下一家公司具体会做些什么，只是说，下一家公司会跟Cambrois公司一样，采用病毒“装配工”和无机分子“砖块"，将通常无法连接的东西连接起来。