微生物要“改邪歸正”

本報(bào)特約記者 司 古

細(xì)菌在生物以外的領(lǐng)域也有越來(lái)越重要的作用。

說(shuō)起微生物，許多人可能會(huì)想到致病的細(xì)菌和病毒，即使那些有益微生物，人們對(duì)它們的了解也多限于它們?cè)谏镱I(lǐng)域的作用。但隨著科技的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)微生物的用處其實(shí)遠(yuǎn)比我們想像的要大。它們甚至可以用來(lái)制造細(xì)菌計(jì)算機(jī)，來(lái)解決最為復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題。

美國(guó)科學(xué)家最近通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行計(jì)算是完全可行的。這項(xiàng)研究由來(lái)自密蘇里西州大學(xué)和北卡羅來(lái)納戴維森學(xué)院的4位教授和15位學(xué)生聯(lián)合進(jìn)行的，他們通過(guò)生物學(xué)手段對(duì)大腸桿菌的DNA進(jìn)行了改造，使其成為可以解決漢密爾頓路徑問(wèn)題等某些經(jīng)典數(shù)學(xué)問(wèn)題的細(xì)菌計(jì)算機(jī)。所謂漢密爾頓路徑問(wèn)題，是假設(shè)一個(gè)人若要游覽英國(guó)十座城市，尋找從第一個(gè)城市出發(fā)到走完全部城市之間的最短路徑。這涉及到350多萬(wàn)條可能的路線。普通計(jì)算機(jī)要找出最短路線需要花很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)橐淮沃荒車(chē)L試一條。而一臺(tái)由數(shù)百萬(wàn)細(xì)菌組成的計(jì)算機(jī)則能同時(shí)考慮每一條路徑，而且細(xì)菌計(jì)算機(jī)實(shí)際上將隨著細(xì)菌繁殖而增強(qiáng)計(jì)算能力。在細(xì)菌計(jì)算機(jī)中，這些城市由一系列會(huì)令細(xì)菌發(fā)出紅光或綠光的基因代表，而城市間可能的途徑由DNA的隨機(jī)性排序進(jìn)行探索。產(chǎn)生正確答案的細(xì)菌將會(huì)發(fā)出黃光。科學(xué)家還研制了能解決“翻薄餅數(shù)學(xué)問(wèn)題”的細(xì)菌計(jì)算機(jī)。“翻薄餅數(shù)學(xué)問(wèn)題”是指把一疊不同大小、焦面向下的煎餅，將每一焦面向上，同時(shí)將最大片置于底部，最后計(jì)算問(wèn)題的可能解答數(shù)。雖然貌似簡(jiǎn)單，其實(shí)“翻煎餅問(wèn)題”運(yùn)算量巨大。如果有6張煎餅，有4.608萬(wàn)種可能，12張煎餅有1.9萬(wàn)億種可能。此外細(xì)菌還可以充當(dāng)生產(chǎn)化合物的“高效工廠”。《自然》雜志稱(chēng)，近日美國(guó)科技人員成功實(shí)現(xiàn)了快速細(xì)胞改造，他們僅用3天時(shí)間就把普通大腸桿菌改造為一個(gè)生產(chǎn)化合物的高效工廠，使番茄紅素（胡蘿卜素的一種）的產(chǎn)量則提高了5倍。

如果應(yīng)用得法，細(xì)菌甚至還能夠幫人們解決能源問(wèn)題，當(dāng)然這并不僅僅是分解垃圾產(chǎn)生沼氣那么簡(jiǎn)單。根據(jù)美國(guó)麻省理工學(xué)院公布的消息，該學(xué)院研究人員利用基因工程技術(shù)成功開(kāi)發(fā)出了病毒電池。在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，鋰離子通常在由石墨構(gòu)成的負(fù)極和由氧化鈷或鋰鐵磷酸鹽構(gòu)成的正極間流動(dòng)。如果要提高電池的性能，就需要制作出能更高效進(jìn)行能量傳輸?shù)碾姵卣龢O和負(fù)極。現(xiàn)在研究人員培育出一種特殊病毒，該病毒能夠通過(guò)將自身鍍涂在氧化鈷和黃金上或自行組成納米導(dǎo)線的方式形成電池陽(yáng)極。同時(shí)研究人員將一種稱(chēng)為噬菌體的無(wú)害病毒涂在碳納米管上，放置于磷酸鐵納米導(dǎo)線表面充當(dāng)陰極。電子可以沿碳納米管網(wǎng)行進(jìn)，滲透到電極，完成能量的快速轉(zhuǎn)換。研究小組發(fā)現(xiàn)，加進(jìn)碳納米管后，陰極的重量沒(méi)有太大的變化，但導(dǎo)電性卻大幅度提高。在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試中，安裝了新陰極材料的電池在不損失電容量的同時(shí)，其充電和放電速度提高了至少100倍。

有時(shí)細(xì)菌也可以直接構(gòu)成電池的能量源。美國(guó)最近就利用一種能夠分解糖分產(chǎn)生電力的細(xì)菌開(kāi)發(fā)出了細(xì)菌電池。這種新型細(xì)菌電池的效能相當(dāng)于普通電池效能的83%，不僅可以與葡萄糖產(chǎn)生反應(yīng)發(fā)出電能，也能使用果糖、蔗糖甚至是木糖作為原料。而且這種細(xì)菌適應(yīng)性較好，以25攝氏度環(huán)境為最適宜。據(jù)說(shuō)這種電池可持續(xù)供電25天，成本低廉且性能穩(wěn)定。▲