Key Lab of Industrial Biocatalysis Ministry of Education
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探索化学化工未来世界—病毒制造
2019-08-29

(作者 于慧敏)

 

      提起病毒,往往让人们感到恐惧。重要原因是它看不见、摸不着,但却能够快速侵染宿主细胞,并且以超乎想象的速度进行复制。数百年来,医生几乎想尽一切办法来阻断有害病毒的复制和扩增。但凡事都有正反两面。病毒的纳米级超微结构和非凡的自我复制能力,可以被化学化工专家利用,制造和组装各种功能结构,使人类从中受益。利用生物体系实现化工产品生产的生物化工技术,是化学化工的一个重要方向。“活”的生物体,拥有最神奇的化学分子合成和新物质创造的能力。形形色色、形态各异的微生物,包括病毒,都是生物化工的主要研究对象。以“ 病毒电池”为例,专家是如何利用M13 噬菌体病毒来制造新型高能电池的呢?和其他病毒一样,M13 噬菌体病毒,也被大自然赋予了纳米级的、非常精巧的结构。它周身包覆着2700 多个拷贝的p8 衣壳蛋白,一个末端是具有5 个拷贝的p3 衣壳蛋白。这些蛋白的结构,由它的单链DNA 基因决定。通过快速剪切和插入,将新设计的基因序列连接到p8 或p3 基因的上游,扩增后的新M13 噬菌体,就可以在相应衣壳蛋白的末端展示出新的精细结构。当这个改造后的M13 噬菌体病毒,侵染了大肠杆菌细胞,就会产生不计其数的、具有新外壳结构的M13 复制体。也就是说,只要我们改造基因,就能够得到我们需要的特殊病毒结构,从而具有精心设计的新功能。
       具体到“ 病毒电池”的构建,美国麻省理工学院的科学家们,首先改造M13 噬菌体的p8 周身蛋白,将其结合磷酸铁,再利用p3 末端蛋白,“抓住”碳纳米管。经过自组装,排列成可以容纳更多锂离子嵌入、导电性能优异的网状结构作为电池的正极材料。嵌入位点的大幅度增加,自然就提高了电量,电池功率可以比现有的锂离子电池提高10 倍。
      改造基因,使我们获得了需要的病毒。掌控了病毒改造的规律后,对它的应用,就不仅仅局限在病毒电池这一个方面。例如改造后的M13 病毒,不仅能够帮助我们净化被重金属和化学品污染的水,还能够辅助制备各种高效催化剂;不仅能够进行靶向给药或医学诊断,还能够开发生物传感器、实现化学品痕量检测等。“ 改邪归正”的病毒,将在多个领域为我们的生活服务,未来的病毒产品将会超乎你的想象,我们可以展望,未来,高速路上奔跑的汽车可以由病毒来驱动,人们身上穿的衣服可以用病毒来保暖。