Ajattelin puhua siitä, miten luonto tekee materiaaleja.
Toin mukanani punamerikorvan kuoren.
Se on biokomposiittimateriaali,
joka on 98 prosenttia massaltaan kalsiumkarbonaattia
ja kaksi prosenttia proteiinia.
Silti se on 3000 kertaa sitkeämpi
kuin sen geologinen vastine.
Monet ihmiset saattavat käyttää vastaavia rakenteita,
kuten kalkkikiveä.
Minua kiehtoo luonnon tapa
tehdä niin erinomaisia materiaaleja,
ja siihen liittyvät salaisuudet.
Osa sitä on, että nämä materiaalit
ovat rakenteeltaan makroskooppisia,
mutta ne ovat
muodostuneet nanomittakaavassa,
ja ne käyttävät proteiineja, jotka on koodattu geneettisesti,
mikä mahdollistaa näiden erinomaisten rakenteiden rakentamisen.
Joten mielestäni olisi kiehtovaa,
jos voitaisiin puhaltaa elämää
elottomiin rakenteisiin,
kuten akkuihin tai aurinkokennoihin.
Mitä jos niillä olisi joitain samoja
ominaisuuksia kuin punamerikorvan kuorella,
pystyen niiden puitteissa
rakentamaan erinomaisia rakenteita
huoneen lämpötilassa ja paineessa,
käyttäen myrkyttömiä kemikaaleja
ja päästämättä myrkyllisiä materiaaleja takaisin ympäristöön?
Sitä visiota olen pohtinut.
Mitä jos voisi kasvattaa akun?
Mitä jos akulle voisi antaa geneettistä informaatiota
siten, että siitä tulisi parempi
ajan mittaan,
ja se kävisi ympäristöystävällisesti?
Palatakseni punamerikorvan kuoreen,
sen lisäksi, että se on nanorakenteinen,
on kiehtovaa,
että uros- ja naaraspunamerikorvan kohdatessa,
ne välittävät eteenpäin geneettistä tietoa,
joka sanoo: "Näin rakennat erinomaisen materiaalin."
"Näin teet sen huoneen lämpötilassa ja paineessa"
"käyttäen myrkyttömiä materiaaleja."
Samoin piilevät, jotka näkyvät tässä, ja jotka ovat lasisia rakenteita.
Aina kun piilevä monistaa itsensä,
se antaa geneettistä informaatiota:
"Näin rakennat meressä lasia,"
"joka on täydellinen nanorakenne."
"Ja voit tehdä saman uudelleen ja uudelleen."
Mitä jos saman voisi tehdä
aurinkokennolle tai akulle?
Kerron mielelläni, että biomateriaaleista lempparini on neljävuotias lapseni.
Mutta kaikki, joilla on joskus ollut tai tuntee pieniä lapsia,
tietää miten monimutkaisia organismeja he ovat.
Jos haluaa saada heidät tekemään jotain,
mitä he eivät halua tehdä, se on hyvin vaikeaa.
Miettiessämme tulevaisuuden teknologioita,
aiomme käyttää bakteereja ja viruksia --
yksinkertaisia organismeja.
Voiko ne suostutella töihin meille,
rakentamaan rakenne,
joka on minulle tärkeä?
Mietimme myös tulevaisuuden teknologioita.
Aloitamme Maapallon alusta.
Kesti miljardi vuotta
saada elämää Maapallolle.
Hyvin nopeasti se muuttui monisoluiseksi,
se pystyi toisintamaan itseään ja pystyi
yhteyttämään tuottaakseen energiaa.
Mutta vasta 500 miljoonaa vuotta sitten --
kambrikaudella --
organismit meressä alkoivat tehdä kovia materiaaleja.
Sitä ennen rakenteet olivat pehmeitä.
Sinä aikana
kalsiumina, rautaa ja piitä
oli ympäristössä enemmän.
Ja organismit oppivat tekemään kovia materiaaleja.
Niin minäkin haluaisin tehdä --
vakuuttaa biologian
työskentelemään loppujenkin alkuaineiden kanssa.
Jos ajatellaan biologiaa,
on monia rakenteita kuten DNA ja vasta-aineita
ja proteiineja ja ribosomeja, joista olette kuulleet,
jotka ovat jo nanorakenteita.
Luonto siis antaa jo meille
todella verrattomia rakenteita nanomittakaavassa.
Mitä jos voisimme valjastaa ne
ja vakuuttaa ne olemasta vasta-aineita,
jotka tekevät sellaista kuin HIV?
Mitä jos voisimme vakuuttaa ne
rakentamaan meille aurinkokennon?
Nämä ovat luonnollisia kuoria --
biologisia materiaaleja.
Tämän punamerikorvan kuori -- jos sen halkaisee,
näkee, että se on itse asiassa nanorakenteinen.
Nämä piilevät ovat piidioksidia, ja
nuo ovat magneettikentille herkkiä bakteereja,
jotka vamistavat pieniä magneetteja navigoidakseen.
Näille kaikille yhteistä on se,
että niillä on rakenne nanomittakaavassa,
ja niillä on DNA-sekvenssi,
joka koodaa proteiinisekvenssin,
joka antaa niille ohjeet
näiden ihanien rakenteiden rakentamiseen.
Palatakseni punamerikorvan kuoreen,
punamerikorva tekee kuoren näillä proteiineilla.
Nämä proteiinit ovat negatiivisesti varautuneita.
Ne vetävät kalsiumia ympäristöstään,
tekevät kerroksen kalsiumia ja sitten karbonaattia, kalsiumia ja karbonaattia.
Sillä on kemiallinen aminohapposekvenssi,
joka sanoo: "Näin rakennat sen rakenteen."
"Tässä on DNA-sekvenssi, tässä proteiinisekvenssi"
"sen tekemiseen."
Jos voisi ottaa minkä tahansa haluamansa materiaalin
tai minkä tahansa alkuaineen jaksollisesta järjestelmästä
ja löytäisi vastaavan DNA-sekvenssin
ja koodaisi sen vastaavan proteiinisekvenssin
rakentamaan rakenteen, ei punamerikorvan kuorta --
vaan jotain, jota luonto
ei vielä ole saanut aikaan.
Tässä jaksollinen järjestelmä.
Rakastan jaksollista järjestelmää.
Joka vuosi annan uusille opiskelijoille MIT:ssä
jaksollisen järjestelmän, jossa lukee:
"Tervetuloa MIT:hin. Nyt olet elementissäsi."
Kääntöpuolella ovat aminohapot
pH-arvoineen, missä niillä on eri varaukset.
Joten annan tämän tuhansille ihmisille.
Vaikka tämä on Caltech eikä MIT,
minulla on muutama mukana, mikäli joku haluaa sellaisen.
Olin hyvin onnekas
saadessani vastaanottaa presidentti Obaman vierailun
labrassani tänä vuonna,
ja halusin antaa hänelle jaksollisen järjestelmän.
Joten valvoessani yöllä, kysyin mieheltäni:
"Miten annan presidentti Obamalle jaksollisen järjestelmän?"
"Mitä jos hän sanoo: 'Minulla on jo sellainen',"
"tai 'Muistan sen ulkoa'?"
Joten hän tuli labraani
ja katseli ympärilleen -- se oli hieno vierailu.
Sen jälkeen sanoin:
"Sir, haluan antaa teille jaksollisen järjestelmän"
"siltä varalta, että teidän tarvitsee laskea molekyylipaino."
Arvelin, että molekyylipaino kuulostaa vähemmän nörtiltä
kuin moolimassa.
Joten hän katsoi sitä
ja sanoi:
"Kiitos. Aion katsoa sitä jaksollisesti."
(Naurua)
(Aplodeja)
Myöhemmin pitäessään luentoa puhtaasta energiasta
hän otti sen esille ja sanoi:
"Ihmiset MIT:ssä antavat jaksollisia järjestelmiä."
En kertonut teille,
että 500 miljoonaa vuotta sitten, organismit alkoivat tehdä materiaaleja,
mutta niiltä meni 50 miljoonaa vuotta kehittyä hyviksi siinä.
Niiltä kesti 50 miljoonaa vuotta
kehittyä täydellisiksi punamerikorvan kuoren tekemisessä.
Sitä on hankala myydä tohtoriopiskelijalle.
"Minulla on tämä hieno projekti -- 50 miljoonaa vuotta."
Joten meidän piti keksiä tapa
tehdä se nopeammin.
Joten käytämme vaaratonta virusta
nimeltä M13 bakteerifaagi,
jonka tehtävä on infektoida bakteereja.
Sillä on yksinkertainen DNA-rakenne,
josta voi leikata ja johon voi liittää
DNA-sekvenssejä.
Sillä tavoin virus voi
ilmaista satunnaisia proteiinisekvenssejä.
Tämä on melko helppoa bioteknologiaa.
Tämän voi tehdä oleellisesti miljardi kertaa.
Joten voi saada miljardi eri virusta,
jotka ovat geneettisesti identtisiä,
mutta ne eroavat yhden sekvenssin
kärkien verran,
ja se koodaa yhden proteiinin.
Jos ottaa miljardi virusta
ja laittaa ne yhdeen nestepisaraan,
ne voi pakottaa vuorovaikuttamaan minkä tahansa alkuaineen kanssa.
Evoluution valitsemana
yksi noista miljardista tekee sen, mitä sen halutaan tekevän,
kuten kasvattavan akun tai aurinkokennon.
Virukset eivät voi monistaa itseään, ne tarvitsevat isännän.
Kun löytää sen yhden miljardista,
sillä infektoidaan bakteeri,
ja tehdään miljoonia ja miljardeja kopioita
siitä tietystä sekvenssistä.
Toinen asia, mikä on kaunista biologiassa,
on se, että biologia antaa hienoja rakenteita,
mukavissa mittakaavoissa.
Nämä virukset ovat pitkiä ja kapeita,
saamme ne ilmentämään kykyä
kasvattaa jotain, kuten puolijohteita
tai materiaaleja akkuihin.
Tämä on tehokas akku, jonka kasvatimme labrassani.
Teimme viruksen, joka poimii hiilinanoputkia.
Yksi osa viruksesta ottaa hiilinanoputken.
Toisessa osassa virusta on sekvenssi,
joka kasvattaa materiaalia elektrodiksi akulle.
Sitten se yhdistää itsensä virtakollektorille.
Valitsevan evoluution avulla
me edistyimme viruksesta, joka teki kehnon akun,
virukseen, joka teki hyvän akun,
virukseen, joka teki ennätykset rikkovan todella tehokkaan akun,
joka on tehty täysin huoneen lämpötilassa, periaatteessa työpöydällä.
Se akku meni Valkoiseen taloon lehdistökonferenssiin.
Toin sen tänne.
Näette sen tässä -- se antaa virtaa tälle ledille.
Jos voimme tehdä tätä isommassa mittakaavassa,
sitä voisi käyttää
[Toyota] Priuksessa --
unelmani on ajaa autoa virusvoimalla.
Mutta oleellisesti --
voi vetää ulos yhden miljardista.
Sitä voi vahvistaa.
Laboratoriossa sitä vahvistetaan.
Sitten se saadaan itsejärjestäytymään
rakenteeksi -- kuten akuksi.
Voimme tehdä tämän myös katalyysillä.
Tässä on esimerkki
fotokatalyyttisestä veden hajottamisesta.
Olemme onnistuneet
tekemään viruksen, ja ottaa väriaineita absorboivia molekyylejä,
jotka järjestäytyvät viruksen pinnalle
toimien antennina,
ja saadaan energian siirto viruksen läpi.
Sitten sille annetaan toinen geeni
rakentamaan epäorgaanista materiaalia,
jota voidaan käyttää veden hajottamiseen
hapeksi ja vedyksi,
joita voidaan käyttää puhtaina polttoaineina.
Toin mukanani esimerkin.
Opiskelijani lupasivat, että tämä toimisi.
Nämä ovat viruksen järjestämiä nanokaapeleita.
Kun sen valaisee, se kuplii.
Tässä tapauksessa näette happikuplien tulevan ulos.
Oleellisesti geenejä kontrolloiden
voi kontrolloida monia materiaaleja parantaakseen laitteiden suoritustasoa.
Viimeinen esimerkki ovat aurinkokennot.
Tämän voi tehdä myös aurinkokennoilla.
Olemme onnistuneet tekemään viruksia,
jotka ottavat hiilinanoputkia
ja kasvattavat titaanidioksidia niiden ympärille --
ja siten elektronit pääsevät laitteen läpi.
Löysimme, että geneettisellä muokkauksella
voimme itse asiassa lisätä
näiden aurinkokennojen tehokkuuksia
ennätyslukemiin
tämän tyyppisille väriainepohjaisille systeemeille.
Toin myös yhden noista,
ja voitte leikkiä sillä myöhemmin --
tämä on viruspohjainen aurinkokenno.
Evoluution ja valinnan kautta
saimme kahdeksan prosentin tehoisesta aurinkokennosta
11 prosentin tehoisen aurinkokennon.
Toivoakseni olen vakuuttanut teidät siitä,
että on paljon hienoja, mielenkiintoisia asioita opittavana
luonnon tavoista tehdä materiaaleja --
ja viedä sen seuraavalle tasolle
nähdäkseen voiko sitä pakottaa,
tai jotenkin hyödyntää luontoa
tekemään asioita, joista se ei vielä unelmoinut.
Kiitos.