生命科学：无尽的前沿

作者简介

［美］ 苏珊·霍克菲尔德（Susan Hockfield）：知名神经学教授，美国艺术与科学院院士，曾先后担任耶鲁大学副校长以及麻省理工学院校长，是麻省理工学院建校以来第一位女校长。她是美国科学促进会会员，美国神经生物学学会会员。先后担任《神经科学杂志》《学习与记忆》等杂志的编委。

内容简介

第二章　生物学能做出更好的电池吗？ 1999年，当安杰拉·贝尔彻（Angela Belcher）提交她的第一份经费申请报告时，一位专业评审直说它“太疯狂了”。当时贝尔彻刚拿到教职，去得克萨斯大学奥斯汀分校化学系做一名初级教授，正需要一笔经费开始她的研究生涯。她申请的内容听上去确实疯狂：她想改造病毒，让它们“生长出”电子电路，最终形成电池。根据贝尔彻的设想，这种由病毒长成的电池将比现在使用的电池充电更快，几乎不产生有毒废料，并可以在一定程度上生物降解。她所提出的，其实是使以清洁、便宜和天然的方法制造再生能源成为一种可行的选择，来取代化石燃料。贝尔彻觉得，这个想法有着改变世界的潜力。 ……她想到用生物学构造新一代电子设备是在20世纪90年代，当时她还在加州大学圣芭芭拉分校攻读化学博士学位。有一件事始终令她着迷，那就是大自然总能为周围的挑战和机遇发明应对方案。读博士的* 小说及电影《查理和巧克力工厂》中的人物。那几年，她迷上了鲍鱼，那是一种大型海螺，常见于太平洋沿岸，它们产生甲壳的方式令她很感兴趣。后来的发展证明，这个过程所涉及的生物工程学原理将打开贝尔彻的头脑，启迪她对这种原理的各种应用，并最终发明新型电池。 从演化上说，鲍鱼必须解决一个艰巨的难题，即如何用已有的简单成分制造出格外坚硬的轻质外壳？鲍鱼演化出了一套优雅巧妙的方案：首先，它收集了钙（Ca）和碳酸盐（CO3），这两样都是海洋中随处可见的材料，结合生成碳酸钙（CaCO3），也就是我们通常用来制作粉笔的无机化合物——白垩。白垩本身是一种脆弱的材料，很容易粉碎，但鲍鱼凭着一种两阶段的制造过程，克服了这个结构缺陷。首先，它把碳酸钙分子排列成了高度有序的阵列5 ，使之形成微小晶体。这些晶体的硬度已大大超过白垩，但仍只有鲍鱼壳硬度的三千分之一 。接着，它再通过另一个过程将这些晶体加工得硬如钢铁，这个过程是贝尔彻在读研究生时参与发现的：鲍鱼用蛋白制成细丝，让其分布在晶体之间形成一张黏合网，有点像灰泥把砖块黏合成一面墙。但是和砖墙里的灰泥不同，鲍鱼壳的这种灰泥略带弹性，使壳的结构能 弯折而不折断。这种坚硬又柔韧的蛋白细丝缠绕在碳酸钙晶体之间，为鲍鱼壳赋予了非凡的动态强度。这层外壳在鲍鱼活着时保护它，等它死后又分解为成分，为下一代甲壳类动物补充原料——整个循环自始至终不向环境排放有毒的生成物。 ……贝尔彻在办公室里收藏了许多鲍鱼壳，我每次去她的办公室总会看得目不转睛。它们真美，放在一起犹如一组没有拆开的俄罗斯套娃，最小的那几个可爱宝宝，得需要我用拇指和食指拈起来，最大的比我手掌张开了还大，想必有十多岁的年纪了。一天，我们谈起了那些以最平凡的元素制造神奇材料的生物过程，我忍不住拿起了最大的几副贝壳中的一个，它足有一只儿童棒球手套那么大，我用手指摩挲着它的内表面。拿到光下观看，它闪烁出彩虹般的颜色。 鲍鱼可以活到50岁。无论体格大小，每一只鲍鱼都有着相同的形状、颜色和质地：它们外表粗糙，内层如珍珠母般晶莹。每块甲壳的表面都有一列小孔，它们间距相同，排成优雅的弧度，鲍鱼就通过这些小孔来“呼吸”。这真是生物工程学的奇迹。当贝尔彻开始研究这些甲壳的形成时，她几乎立刻想到了一个问题：既然鲍鱼DNA中的密码能造出蛋白，这些蛋白又能如此高效而成功地收集海洋中的元素来制造甲壳，那我们是否能征用其他生物的DNA，使它们收集别的元素、完成别的工作呢？如果可以，那么有没有可能像她在第一次申请经费时提出的那样，让病毒去收集半导体中使用的元素（如砷化镓中的砷和镓，硅），并造出电子器件呢？如果能做到那个，那么是否还能用病毒解决更大的问题？能用它们来组装电池的零件吗？这些思考使她的工程学大脑飞速转动。她向我回忆起那个恍然大悟的时刻：“既然百万年来，鲍鱼始终能造出所需的甲壳，又不会排放有毒的副产品，那人类为什么就不能在不污染环境的前提下，造出所需的一切呢？” ★全面解读世界前沿生物实验室里合成生物技术。本书生动讲解五大前沿技术以及这些技术将如何为我们应对迫在眉睫的医药、粮食、能源、淡水等危机提供了新的解决方案。 ★未来商业领域势头强劲的投资蓝海，每一个投资人都不可错过的前沿科技课。科技即商机。比尔·盖茨曾说，下一个超越我的亿万富豪必定出现在生物科技领域。不了解合成生物技术，在下一个三十年里，将可能失去对于未来商机的敏锐嗅觉。 ★作者苏珊·霍克菲尔德教授是世界知名的神经科学家，也是麻省理工学院首次由生命科学家担任校长。她掌握了许多尚处于实验室阶段的前沿研究，并对这些新技术做出了关键性的整合，为我们的时代提供了一次令人震撼的阅读体验。 ★本书被AIP授予“2020科学传播奖”