名校Nature子刊发表新技术突破

　　

生物通报道：来自加州大学伯克利分校生物工程系的研究人员发表了题为“Virus-based piezoelectric energy generation”的文章，报道了一种新技术，能利用M13噬菌体（M13 bacteriophage）将机械能转换成电能，这对于未来生物在能源领域的应用具有重要意义，这一成果公布在Nature Nanotechnology杂志上。

文章的通讯作者是加州大学伯克利分校生物工程学副教授Seung-Wuk Lee，这位科学家致力于病毒改造研究，去年其研究组通过精心设计，对病毒个体的排列进行微调，创造出复杂的结构。这一技术可以用来制造新型光学装置，以及用来支撑软组织、牙齿和骨头生长的生物支架。

压电效应（piezoelectric effect）是指在缺少对称中心的晶态物质中，由电极化强度产生与电场强度成线性关系的机械变形和反之由机械变形产生电极化强度的现象。与压电效应同时还能发生电致伸缩。 这一效应是1880年发现的，至今已见于水晶，陶瓷，骨骼，蛋白质和DNA。这一效应也已投入使用。电动打火机和扫描探针显微镜要运行就不能没有它。

在这篇文章中，研究人员采用了只攻击细菌而对人友好的病毒M13噬菌体，这种噬菌体可以在几个小时内就可以自我复制出数以百万计，所以总是有稳定的供应，很容易进行基因工程设计。研究人员通过采用在M13病毒薄膜上施加电场，证明涂在病毒表面的螺旋蛋白会扭曲和转向，这说明了M13病毒具有压电性。

为了增加病毒的压电强度，研究人员又利用基因工程，在螺旋蛋白中添加4个带负电荷的氨基酸残基，这些残基可增加蛋白质两端之间的电荷差异，从而提高了病毒的电压。

之后他们又进一步堆叠薄膜，这些薄膜包含单层病毒，彼此堆叠起来。结果发现，堆叠约20层会产生最强的压电效应。就此研究人员开始组装基于病毒的压电能量发电机样机，首先让设计病毒，使之能自发组织形成多层膜，尺寸约一平方厘米，然后将这种薄膜夹在两个镀金电极之间，用电线连接到液晶显示器。当向病毒施压时，发电机能产生高达6毫微安培电流和400毫伏电压，足够的电流使屏幕上闪烁出数字“1”，相当于约一个3A电池1/4的电压。

这项研究迈出了从日常生活中收集电脑装置的第一步，这将有助于开发个人发电机、驱动器，用于纳米器件以及其它设备，因而可以称为里程碑成果，由于这些病毒会自发排列成有序的薄膜，使发电机可以运行，因而这一设备未来应用前景广阔。

注：

M13噬菌体是一种丝状噬菌体，内有一个环状单链DNA分子，长6407个核苷酸，含DNA复制和噬菌体增殖所需的遗传信息。M13DNA的复制起始位点定位在基因间隔区内。但是基因间隔区的有些核苷酸序列即使发生突变、缺失活插入外源DNA片段，也不会影响M13DNA的复制，这为M13DNA构建克隆载体提供了条件。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Virus-based piezoelectric energy generation

Piezoelectric materials can convert mechanical energy into electrical energy1, 2, and piezoelectric devices made of a variety of inorganic materials3, 4, 5 and organic polymers6 have been demonstrated. However, synthesizing such materials often requires toxic starting compounds, harsh conditions and/or complex procedures7. Previously, it was shown that hierarchically organized natural materials such as bones8, collagen fibrils9, 10 and peptide nanotubes11, 12 can display piezoelectric properties. Here, we demonstrate that the piezoelectric and liquid-crystalline properties of M13 bacteriophage (phage) can be used to generate electrical energy. Using piezoresponse force microscopy, we characterize the structure-dependent piezoelectric properties of the phage at the molecular level. We then show that self-assembled thin films of phage can exhibit piezoelectric strengths of up to 7.8 pm V−1. We also demonstrate that it is possible to modulate the dipole strength of the phage, hence tuning the piezoelectric response, by genetically engineering the major coat proteins of the phage. Finally, we develop a phage-based piezoelectric generator that produces up to 6 nA of current and 400 mV of potential and use it to operate a liquid-crystal display. Because biotechnology techniques enable large-scale production of genetically modified phages, phage-based piezoelectric materials potentially offer a simple and environmentally friendly approach to piezoelectric energy generation.