當病毒跨行奈米產業

撰文╱羅斯（Philip E. Ross）
翻譯／鍾樹人

 

　　多年以來，材料科學家一直想知道鮑魚這種海生蝸牛，如何利用微小的礦物質建構成堅固無比的外殼，好讓他們如法炮製出類似的物質。但貝契（Angela M. Belcher）卻問了一個不一樣的問題：為什麼不找鮑魚來幫我們製造東西呢？

　　她把一片薄玻璃放到鮑魚的貝肉與外殼間，之後再取出來。「我們得到一片扁平的真珠。」她說：「藉由這種方法，我們可以以小時為單位研究鮑魚建構外殼的過程，卻不必犧牲動物的生命。」結果貝契發現，鮑魚會製造蛋白質，以誘使碳酸鈣分子形成兩種相互緊密結合的結晶形式──一種強韌，另一種可快速增長。這項研究在1997年為貝契贏得美國加州大學聖巴巴拉分校的博士學位，並使她順利進入真珠產業顧問公司，她也因此獲得麻省理工學院的教職，並在加州山景城創立了一家名為「坎布利歐斯」（Cambrios）的新興公司。

　　面對政府越趨嚴格的廢氣排放管制、石油短缺會步步進逼的預期，以及溫室氣體可能引發的全球暖化災變，汽車業界與各國政府於過去10年間，已投下數百億美元，催生潔淨又能有效推進的動力技術，期能取代內燃機引擎（詳見2002年12月號〈改變世界的概念車〉）。然而，對於產業界生產完全環保車款的實際動機，以及這樣不遺餘力的研發，是否真足以於近期內獲致成功，評論家依然多所質疑。有人認為，在燃料電池車上所下的功夫，不過是車商為了以後照樣能有生意做，而放出的煙幕彈，這種猜疑遲遲揮之不去。車商高階主管則回應，他們預見，長遠下來沒有比氫燃料電池汽車更佳的選擇：因為所有實用的替代產物，例如結合內燃機引擎與電化學電池的複合動力車，仍舊是燃燒石化燃料，並且會產生二氧化碳與製造污染。

　　貝契的大計畫是開發一種可以像搬磚一樣搬移分子的生物媒介，從零開始建構物件。這種策略也就是奈米科技裡的「自組成」（self-assembly）。為了展開這項工作，她需要比鮑魚更好處理的生物──一種生長緩慢、不斷自我重複且容易照顧的生物。她想要一種敏捷而有彈性的小東西，介於馬克士威那個可分辨分子的著名惡魔和聖誕老人的小精靈之間。

　　貝契原本看中了單株抗體，因為它可以設計成能與各種不同物件結合，但結果卻不如預期。接著在1990年代中期，貝契認識了M13噬菌體。這種瘦長的病毒寄生在細菌內，但對人類無害。M13的直徑約六奈米，長約一微米，其單股DNA包覆在蛋白質外殼裡。病毒的纖長外殼是由2700個一樣的蛋白質所構成，外殼兩端各連接著數個其他種蛋白質。兩端的這幾種蛋白質都可經由遺傳工程加以改造，讓每一個病毒的蛋白質都不相同，變異的方式高達數十億種，每一種都擁有特定的化學親和力。如此，單一個病毒可能以體側與一種物質結合，以一端與另一種物質結合，而另一端又與另一種物質結合。

　　生物學家運用這種化學專一性已經有一段時日，他們利用M13與特定的有機物質結合，藉此辨識未知樣本。貝契率先證明了這種病毒也能標示並操作無機分子，例如位於眾多實用產品核心地帶的金屬與半導體。這種物理科學借用生物科學的例子相當罕見，而且由於生物學家已經完成了辛苦的基礎工程，貝契只需花費大約300美元，就可買到一整套「噬菌體呈現技術基因庫」（phage display library），裡面含有各式各樣的噬菌體變異株。

　　為了找出適當的噬菌體來與正確的分子結合，貝契開發出一種稱為「導向演化」的程序。她說：「我們在燒杯裡置入特定物質，再把好幾億種可能的噬菌體丟進去，然後沖洗，看看有哪些病毒會與這物質結合。然後改變這些病毒表面與外界的交互作用，比如降低酸鹼值，就可把黏在該物質上的病毒弄下來。再把這些病毒拿去感染宿主細菌，讓噬菌體增殖。」

善用病毒的特性

　　這些有希望的噬菌體會增殖為數兆個，供下一階段演化。接下來，改變溶液的組成，提高噬菌體與目標物質結合的難度。然後再一次洗掉附著力較差的變異株，讓留存下來的病毒增殖。重複流程，一次次提高難度。整個過程做完可能要花三個星期，最後得出單一噬菌體變異株，也就是對特定物質附著力最強的一株。

　　他們得到了一株專門吸附黃金的噬菌體，若置於內含金離子的溶液，病毒就會把自己鍍成一條一微米長的黃金導線，十分適合用來連接微電路裡相鄰的元件。其中有一變異株，會與同伴彼此相連，組成長達數公分的黃金絲線。把這些金絲紡成細線，可做為布料的纖維；若與其他對化學物質敏感的接收器相接，也許可用來偵測有毒或具生物威脅性的物質。

　　一、兩年前，貝契發現有些酵母菌可以固定黃金，但這實驗尚不具實用價值（不過這些酵母菌的直徑達六微米，若做為特定實驗用的螢光標記，相當容易辨識）。現在，她在麻省理工學院的學生正學習如何以生物體為基礎材料，並練習固定黃金的方法。

　　貝契持續探索其他各種生物的實驗價值，但她的重心仍放在M13，部份原因就在於這種病毒具有相當高的長寬比，可自然形成較複雜的形狀。貝契說：「想想盒子裡的蠟筆，如果只有幾枝，搖一搖之後，它們還是亂七八糟。但如果增加蠟筆的數量，就容易排列整齊。」她已經篩選出特定的M13，只要加入特殊的化學交聯劑，就可形成10公分見方、但厚度小於一微米的穩定薄膜。

　　貝契目前正與麻省理工學院的同事姜一民、哈默德（Paula Hammond）與南沂兌，把這種薄膜開發成超輕型鋰電池的電極。該計畫由美國陸軍贊助。貝契說：「電池的重量對他們而言是件大事，最早進駐巴格達的幾架飛機裡全塞滿了電池。傳統電極的重量大概是幾公克，但我們的只有40~50毫克。」

　　噬菌體自行鍍上金與四氧化三鈷所形成的薄膜，可以做為負極，金是為了增加傳導性，四氧化三鈷則可與電池的電解質交換離子。透過離子交換，電荷才能從一個電極傳導到另一個電極。電極可在預製的聚合物電解質上直接自組而成，形成雙層結構。這個小組目前正致力讓噬菌體形成正極，以便連接在電解質的另一面。

　　他們的目標是把噬菌體形成的薄膜塑造成固體，一面為正極，一面為負極，可彼此相連而得出較高的電壓。由於電極之間距離極短，充電與放電速度都會很快，讓元件能發揮最佳效用。不論是什麼樣的空間，這種電池都可配合塑形，而且也可節省重量和空間，從軍用電子設備到超薄的MP3播放器，對各種電子產品來說，這些都是至關重要的特性。

　　不管是什麼元素和化合物，病毒似乎都有辦法加以區別。例如有一種病毒就對砷化鎵半導體具有專一性，但對其近親氮化鎵卻毫無反應，這種辨識力或許可用來偵測晶片的瑕疵。晶片廠商有時會在一種半導體上建構另一種物質的晶體，由於兩種物質的晶格間距略有差異，所以會產生機械應變，並改變電子的行為。但晶體之間若無法適當嚙合，有些原子可能凸出到它原本不該出現的位置，從而成為可與病毒結合的缺陷處。如果有個病毒帶有螢光標記，在適當的狀況下會發光，這時只要一部顯微鏡，就能定位出缺陷所在。

【本文轉載自《科學人雜誌》2006年11月號】