研究人员展示了病毒中的热诱导热释电

病毒通常与疾病相关，但许多病毒是有益的，例如噬菌体会吃掉有害的、对抗生素有抗药性的细菌。现在，伯克利大学的研究人员报告说，工程病毒在受热时也可以发电，这一发现可能为下一代生物传感器和诊断工具铺平道路。

据《先进材料》杂志报道，研究人员首次发现“病毒上热诱导产生电势”，这种现象被称为热释电。

这项工作可能会揭示生物材料(细胞、组织和蛋白质)如何在分子水平上发电，并导致生物材料在新型医疗、制药、环境和能源应用中的发展。

“通过这项研究，我们对蛋白质结构和电特性之间的关系获得了宝贵的见解，”首席研究员、加州大学伯克利分校生物工程教授兼劳伦斯伯克利国家实验室科学家李承旭(Seung-WukLee)说。

“我们发现，当我们对病毒颗粒加热时，它们会发生结构变化，导致自发极化发生变化并产生电势。”

人们对生物电(活细胞内产生的电势)的兴趣可以追溯到古埃及，并在18世纪爆发，当时LuigiGalvani发现电刺激可以引起青蛙腿的肌肉收缩。

尽管多年来我们对这种现象的科学理解有了很大的提高，但由于生物材料的复杂性和可用于研究它们的工具有限，问题仍然存在。李认为病毒可以帮助我们找到答案。

“病毒具有一些显着的特性，使它们成为研究生物电产生过程中结构和功能之间联系的理想模型系统，”李说。“其中包括快速大规模自我复制、进化的能力，以及——由于它们相同的形状和材料——像盒子里的筷子一样自我组装的能力。”

Lee和他的团队十多年前首次展示了工程化M13病毒的生物电潜力。研究人员报告了这些病毒的压电特性及其响应压力发电的能力。

通过对噬菌体的外部蛋白质结构进行基因改造，研究人员发现它们可以增强其压电性能。尽管M13病毒缺乏直接感知热的能力，但研究人员观察到它们会因热刺激而发生结构变化。这些特征使他们怀疑噬菌体可能具有热释电特性。

在这项最新研究中，李和他的团队对这一理论进行了测试。他们对M13噬菌体蛋白质涂层的一部分进行了基因改造，以创建直立结构，指向相同的方向，并且是纳米级的。

然后他们观察并测量了病毒对热的电反应。据李说，他们的研究结果表明，热量会使工程噬菌体上的蛋白质涂层变性或熔化，从而引起电位差。

接下来，研究人员研究了M13噬菌体对其他分子的热释电反应。经过基因调整以响应特定的非挥发性和挥发性有机化合物的肽被附着在工程热释电噬菌体的蛋白质涂层上。

当这些噬菌体暴露于不同的溶剂时，它们会根据化学种类及其浓度产生不同的热释电响应。

“我们的研究结果表明，根据化学受体，我们可以轻松检测到无害或有毒的化学物质，例如二甲苯，”李说。

李和他的团队相信，这种利用定制热释电特性改造噬菌体的方法可以为其他应用打开大门。这包括构建利用热释电来感知其他病毒并检测新毒株的手持设备。

“我们设想了这项技术的许多可能性，”李说。“它可能有助于为创造用于生物电子学和能量收集以及新型仿生设备的新型生物电材料铺平道路。”