0:00:00.000,0:00:03.000 Ik wil wat vertellen over hoe de natuur materiaal maakt. 0:00:03.000,0:00:05.000 Ik heb een zeeoorschelp meegebracht. 0:00:05.000,0:00:08.000 Deze zeeoorschelp is een biocomposietmateriaal 0:00:08.000,0:00:11.000 dat voor 98 massaprocent uit calciumcarbonaat bestaat 0:00:11.000,0:00:13.000 en voor twee massaprocent uit eiwit. 0:00:13.000,0:00:15.000 Toch is het 3.000 keer sterker 0:00:15.000,0:00:17.000 dan zijn geologische tegenhanger. 0:00:17.000,0:00:20.000 Veel mensen gebruiken misschien structuren als zeeorenschelpen, 0:00:20.000,0:00:22.000 als krijt. 0:00:22.000,0:00:24.000 Ik ben gefascineerd door hoe de natuur materiaal maakt, 0:00:24.000,0:00:26.000 en er is veel navolging 0:00:26.000,0:00:28.000 van hoe ze zo'n uitgelezen taak volbrengt. 0:00:28.000,0:00:30.000 Een onderdeel daarvan houdt in dat dit materiaal 0:00:30.000,0:00:32.000 een macroscopische structuur heeft, 0:00:32.000,0:00:34.000 maar op nano-schaal wordt gevormd. 0:00:34.000,0:00:36.000 Ze zijn op nano-schaal gevormd, 0:00:36.000,0:00:39.000 en ze gebruiken eiwitten die op genetisch niveau zijn vastgelegd, 0:00:39.000,0:00:42.000 waardoor ze deze voortreffelijke structuren kunnen opbouwen. 0:00:42.000,0:00:44.000 Wat ik erg fascinerend vind, 0:00:44.000,0:00:47.000 is de vraag of je niet-levende structuren 0:00:47.000,0:00:49.000 zoals batterijen en zonnecellen 0:00:49.000,0:00:51.000 een leven kunt geven. 0:00:51.000,0:00:53.000 Als ze nou eens een paar van de capaciteiten 0:00:53.000,0:00:55.000 van de zeeoor zouden hebben, 0:00:55.000,0:00:57.000 zoals in staat zijn 0:00:57.000,0:00:59.000 om bij kamertemperatuur en normale druk, 0:00:59.000,0:01:01.000 werkelijk voortreffelijke structuren op te bouwen 0:01:01.000,0:01:03.000 uit niet-giftige stoffen 0:01:03.000,0:01:06.000 en zonder giftig materiaal in het milieu te brengen? 0:01:06.000,0:01:09.000 Dus ik heb over dat visioen nagedacht. 0:01:09.000,0:01:11.000 Als je nou eens een batterij kon laten groeien in een petrischaaltje? 0:01:11.000,0:01:14.000 Of als je een batterij genetische informatie kon geven, 0:01:14.000,0:01:16.000 zodat deze na verloop van tijd 0:01:16.000,0:01:18.000 steeds beter wordt, 0:01:18.000,0:01:20.000 en ook nog op een milieuvriendelijke manier? 0:01:20.000,0:01:23.000 Om terug te komen op deze zeeoorschelp, 0:01:23.000,0:01:25.000 naast de nano-structuur 0:01:25.000,0:01:27.000 is het fascinerend 0:01:27.000,0:01:29.000 dat als een zeeoormannetje en zeeoorvrouwtje bij elkaar komen, 0:01:29.000,0:01:31.000 ze genetische informatie uitwisselen 0:01:31.000,0:01:34.000 die vertelt: "Zo kun je een voortreffelijk materiaal maken. 0:01:34.000,0:01:36.000 Zo doe je dat bij kamertemperatuur en normale druk, 0:01:36.000,0:01:38.000 met niet-giftige stoffen." 0:01:38.000,0:01:41.000 Hetzelfde geldt voor de kiezelwieren hier, die een glasachtige structuur hebben. 0:01:41.000,0:01:43.000 Telkens als een kiezelwier zich voortplant, 0:01:43.000,0:01:45.000 geven ze de genetische informatie door die vertelt: 0:01:45.000,0:01:47.000 "Zo kun je glas maken in de oceaan, 0:01:47.000,0:01:49.000 met een perfecte nano-structuur. 0:01:49.000,0:01:51.000 En dat kun je steeds weer opnieuw doen." 0:01:51.000,0:01:53.000 Als je dat nou eens zou kunnen doen 0:01:53.000,0:01:55.000 met een zonnecel of een batterij? 0:01:55.000,0:01:58.000 Ik vertel graag dat mijn favoriete biomateriaal, mijn vier jaar oud kind is. 0:01:58.000,0:02:01.000 Iedereen die ooit kleine kinderen heeft gehad of kent, 0:02:01.000,0:02:04.000 weet dat ze ongelofelijk complexe organismen zijn. 0:02:04.000,0:02:06.000 Als je ze ervan wilt overtuigen 0:02:06.000,0:02:08.000 iets te doen waar ze geen zin in hebben, is dat heel moeilijk. 0:02:08.000,0:02:11.000 Dus als we aan toekomsttechnologieën denken, 0:02:11.000,0:02:13.000 denken we aan het gebruik van bacteriën en virussen, 0:02:13.000,0:02:15.000 eenvoudige organismen. 0:02:15.000,0:02:17.000 Kun je ze overtuigen om een nieuwe gereedschapskist te gebruiken, 0:02:17.000,0:02:19.000 zodat ze structuren kunnen bouwen, 0:02:19.000,0:02:21.000 die voor mij van belang zijn? 0:02:21.000,0:02:23.000 Ook denken we na over toekomsttechnologieën. 0:02:23.000,0:02:25.000 We beginnen bij het ontstaan van de aarde. 0:02:25.000,0:02:27.000 In wezen duurde het een miljard jaar 0:02:27.000,0:02:29.000 tot er leven was op aarde. 0:02:29.000,0:02:31.000 Heel snel werd het meercellig, 0:02:31.000,0:02:34.000 ze konden zich voortplanten, ze konden fotosynthese gebruiken 0:02:34.000,0:02:36.000 om aan energie te komen. 0:02:36.000,0:02:38.000 Maar het is hooguit 500 miljoen jaar geleden -- 0:02:38.000,0:02:40.000 tijdens het geologisch tijdperk Cambrium -- 0:02:40.000,0:02:43.000 dat organismen in de oceaan harde materialen begonnen aan te maken. 0:02:43.000,0:02:46.000 Daarvoor waren het allemaal zachte, pluizige structuren. 0:02:46.000,0:02:48.000 In die tijd was er 0:02:48.000,0:02:50.000 een verhoogde concentratie calcium en ijzer 0:02:50.000,0:02:52.000 en silicium in het milieu. 0:02:52.000,0:02:55.000 Organismen leerden hoe ze harde materialen konden maken. 0:02:55.000,0:02:57.000 Dat wil ik ook kunnen -- 0:02:57.000,0:02:59.000 de biologie overtuigen 0:02:59.000,0:03:01.000 om met de rest van het periodiek systeem te werken. 0:03:01.000,0:03:03.000 Als je de biologie bekijkt, 0:03:03.000,0:03:05.000 zijn er veel structuren waarvan je gehoord hebt, 0:03:05.000,0:03:07.000 zoals DNA en anti-lichaampjes en eiwitten en ribosomen, 0:03:07.000,0:03:09.000 die al een nano-structuur hebben. 0:03:09.000,0:03:11.000 Dus de natuur geeft ons al 0:03:11.000,0:03:13.000 werkelijk voortreffelijke structuren op nano-schaal. 0:03:13.000,0:03:15.000 Als we die nou eens konden benutten 0:03:15.000,0:03:17.000 en ze ervan te overtuigen dat ze geen anti-lichaampje zijn 0:03:17.000,0:03:19.000 dat iets als HIV doet? 0:03:19.000,0:03:21.000 Maar als we ze ervan konden overtuigen 0:03:21.000,0:03:23.000 om voor ons een zonnecel te bouwen? 0:03:23.000,0:03:25.000 Hier zijn wat voorbeelden: dit zijn natuurlijke schelpen. 0:03:25.000,0:03:27.000 Het zijn natuurlijke biologische materialen. 0:03:27.000,0:03:29.000 De zeeoorschelp hier -- en als je die breekt, 0:03:29.000,0:03:31.000 zie je dat ze een nano-structuur heeft. 0:03:31.000,0:03:34.000 Er zijn kiezelwieren die uit siliciumdioxide bestaan, 0:03:34.000,0:03:36.000 en dat zijn magnetotactische bacteriën, 0:03:36.000,0:03:39.000 die kleine enkel-domein magneetjes maken, die ze gebruiken voor navigatie. 0:03:39.000,0:03:41.000 Wat deze allemaal gemeen hebben 0:03:41.000,0:03:43.000 is dat deze materialen op een nano-schaal zijn gestructureerd. 0:03:43.000,0:03:45.000 Ze hebben een DNA-sequentie 0:03:45.000,0:03:47.000 die codeert voor een eiwitsequentie, 0:03:47.000,0:03:49.000 die hen een blauwdruk geeft 0:03:49.000,0:03:51.000 om deze wonderlijke structuren zelf te kunnen bouwen. 0:03:51.000,0:03:53.000 Nu weer terug naar de zeeoorschelp. 0:03:53.000,0:03:56.000 De zeeoor maakt deze schelp met eiwitten. 0:03:56.000,0:03:58.000 Deze eiwitten zijn erg negatief geladen. 0:03:58.000,0:04:00.000 Ze kunnen calcium uit hun omgeving onttrekken, 0:04:00.000,0:04:03.000 een laagje calcium leggen en dan carbonaat, calcium en carbonaat. 0:04:03.000,0:04:06.000 Het heeft de chemische volgorde van aminozuren 0:04:06.000,0:04:08.000 die vertellen: "Zo kun je de structuur opbouwen. 0:04:08.000,0:04:10.000 Hier is de DNA-sequentie, hier is de eiwitsequentie 0:04:10.000,0:04:12.000 om het te doen." 0:04:12.000,0:04:15.000 Dus het is een interessante gedachte, als je elk materiaal dat je wilt kunt kiezen, 0:04:15.000,0:04:17.000 of elk element uit het periodiek systeem, 0:04:17.000,0:04:20.000 en er dan de overeenkomstige DNA-sequentie bij zoeken, 0:04:20.000,0:04:22.000 dan daar de overeenkomstige eiwitsequentie bij coderen, 0:04:22.000,0:04:25.000 om een structuur op te bouwen, maar geen zeeoorschelp. 0:04:25.000,0:04:27.000 Bouw dan iets waar de natuur 0:04:27.000,0:04:30.000 nog nooit mee heeft kunnen werken. 0:04:30.000,0:04:32.000 Hier is het periodiek systeem. 0:04:32.000,0:04:34.000 Ik hou absoluut van het periodiek systeem. 0:04:34.000,0:04:37.000 Elk jaar heb ik voor de nieuwe studenten, die beginnen op MIT, 0:04:37.000,0:04:39.000 een periodiek systeem gemaakt met de tekst: 0:04:39.000,0:04:42.000 "Welkom op MIT. Nu voel je je in je element." 0:04:42.000,0:04:45.000 Als ik dat omsla, zie je de aminozuren 0:04:45.000,0:04:47.000 met de zuurgraad waarop ze een andere lading krijgen. 0:04:47.000,0:04:50.000 Dus ik geef dit mee aan duizenden mensen. 0:04:50.000,0:04:52.000 Ik weet dat er MIT op staat, en dit hier is Caltech, 0:04:52.000,0:04:54.000 maar ik heb er een paar extra als iemand ze wil hebben. 0:04:54.000,0:04:56.000 Ik had veel geluk 0:04:56.000,0:04:58.000 dat president Obama dit jaar mijn lab bezocht 0:04:58.000,0:05:00.000 bij zijn bezoek aan MIT. 0:05:00.000,0:05:02.000 Ik wilde hem echt een periodiek systeem geven. 0:05:02.000,0:05:04.000 Ik bleef laat op en praatte met mijn man. 0:05:04.000,0:05:07.000 "Hoe geef ik president Obama een periodiek systeem?" 0:05:07.000,0:05:09.000 Als hij nou zegt: "O, ik heb er al eentje", 0:05:09.000,0:05:11.000 of "Dat ken ik al uit mijn hoofd"? 0:05:11.000,0:05:13.000 Hij kwam mijn lab bezoeken 0:05:13.000,0:05:15.000 en keek rond -- het was een geweldig bezoek. 0:05:15.000,0:05:17.000 Aan het einde, zei ik: 0:05:17.000,0:05:19.000 "Meneer, ik wil u een periodiek systeem geven 0:05:19.000,0:05:23.000 voor het geval u ooit in de problemen bent en het moleculair gewicht moet kunnen berekenen." 0:05:23.000,0:05:25.000 Ik vond dat moleculair gewicht minder nerd-achtig klonk 0:05:25.000,0:05:27.000 dan molmassa. 0:05:27.000,0:05:29.000 Dus hij keek ernaar, 0:05:29.000,0:05:31.000 en hij zei: 0:05:31.000,0:05:33.000 "Dank u. Ik zal er periodiek naar kijken." 0:05:33.000,0:05:35.000 (Gelach) 0:05:35.000,0:05:39.000 (Applaus) 0:05:39.000,0:05:42.000 Later toen hij een lezing over schone energie gaf, 0:05:42.000,0:05:44.000 haalde hij het tevoorschijn en zei: 0:05:44.000,0:05:46.000 "En de MIT-mensen delen periodieke systemen uit." 0:05:46.000,0:05:49.000 Wat ik jullie niet verteld heb, 0:05:49.000,0:05:52.000 is dat organismen 500 miljoen jaar geleden begonnen met materialen maken, 0:05:52.000,0:05:54.000 maar dat het ze 50 miljoen jaar kostte om er goed in te worden. 0:05:54.000,0:05:56.000 Het kostte ze ongeveer 50 miljoen jaar 0:05:56.000,0:05:58.000 om het maken van zo'n zeeoorschelp te perfectioneren. 0:05:58.000,0:06:00.000 Daar heeft een student geen zin in. 0:06:00.000,0:06:03.000 "Ik heb een geweldig project -- 50 miljoen jaar". 0:06:03.000,0:06:05.000 Daarom moesten we een manier verzinnen 0:06:05.000,0:06:07.000 om dit sneller te kunnen doen. 0:06:07.000,0:06:09.000 Daarom gebruiken we een niet-giftig virus 0:06:09.000,0:06:11.000 dat de M13 bacteriofaag heet, 0:06:11.000,0:06:13.000 die als taak heeft om bacteriën te besmetten. 0:06:13.000,0:06:15.000 Het heeft een eenvoudige DNA-structuur 0:06:15.000,0:06:17.000 die je kunt bewerken en waar je met cut en paste 0:06:17.000,0:06:19.000 DNA-sequenties aan kunt toevoegen. 0:06:19.000,0:06:21.000 Door dat te doen, zorg je dat het virus 0:06:21.000,0:06:24.000 willekeurige eiwitsequenties voortbrengt. 0:06:24.000,0:06:26.000 Dat is erg gemakkelijke biotechnologie. 0:06:26.000,0:06:28.000 Je kunt dit in feite een miljard keer doen. 0:06:28.000,0:06:30.000 Je krijgt dan een miljard verschillende virussen 0:06:30.000,0:06:32.000 die allemaal genetisch identiek zijn, 0:06:32.000,0:06:34.000 maar ze verschillen van elkaar op basis van die stukjes, 0:06:34.000,0:06:36.000 op één sequentie 0:06:36.000,0:06:38.000 die voor één eiwit codeert. 0:06:38.000,0:06:40.000 Als je nu al die miljard virussen 0:06:40.000,0:06:42.000 in een druppel vloeistof verzamelt, 0:06:42.000,0:06:45.000 dan kun je ze dwingen om met het hele periodiek systeem te werken. 0:06:45.000,0:06:47.000 Via een proces van selectie-evolutie, 0:06:47.000,0:06:50.000 kun je er net die ene uitpikken die iets doet wat jou bevalt, 0:06:50.000,0:06:52.000 zoals een batterij of een zonnecel te laten groeien. 0:06:52.000,0:06:55.000 Virussen kunnen zichzelf niet vermenigvuldigen. Ze hebben een gastheer nodig. 0:06:55.000,0:06:57.000 Als je die ene van het miljard hebt gevonden, 0:06:57.000,0:06:59.000 besmet je er een bacterie mee, 0:06:59.000,0:07:01.000 en je maakt miljoenen, miljarden kopieën 0:07:01.000,0:07:03.000 van die specifieke sequentie. 0:07:03.000,0:07:05.000 Wat verder zo mooi is aan biologie, 0:07:05.000,0:07:07.000 is dat biologie je werkelijk voortreffelijke structuren geeft 0:07:07.000,0:07:09.000 met een leuke verbindingsschaal. 0:07:09.000,0:07:11.000 Deze virussen zijn lang en mager, 0:07:11.000,0:07:13.000 en we kunnen ze de mogelijkheid geven 0:07:13.000,0:07:15.000 om zoiets als halfgeleiders te laten groeien 0:07:15.000,0:07:17.000 of materialen voor batterijen. 0:07:17.000,0:07:20.000 Dit is een sterke batterij die we in ons lab lieten groeien. 0:07:20.000,0:07:23.000 We sleutelden aan een virus om het koolstof nanobuisjes te laten opnemen. 0:07:23.000,0:07:25.000 Dus één deel van het virus pakt het koolstof nanobuisje. 0:07:25.000,0:07:27.000 Het andere deel van het virus heeft een sequentie 0:07:27.000,0:07:30.000 die een elektrode voor een batterij kan laten groeien. 0:07:30.000,0:07:33.000 Daarna sluit het zichzelf aan op de stroomverzamelaar. 0:07:33.000,0:07:35.000 Dus met een proces van selectie-evolutie, 0:07:35.000,0:07:38.000 hebben we een virus dat een zwakke batterij maakte, 0:07:38.000,0:07:40.000 veranderd in een virus dat een goede batterij maakt. 0:07:40.000,0:07:43.000 Een virus dat een recordbrekende, sterke batterij maakt 0:07:43.000,0:07:46.000 op kamertemperatuur, eigenlijk op een werkblad. 0:07:46.000,0:07:49.000 Die batterij ging naar het Witte Huis voor een persconferentie. 0:07:49.000,0:07:51.000 Ik heb ze meegebracht. 0:07:51.000,0:07:54.000 Je ziet in dit geval -- dat doet deze LED oplichten. 0:07:54.000,0:07:56.000 Als we dit konden opschalen, 0:07:56.000,0:07:58.000 zou je het kunnen gebruiken 0:07:58.000,0:08:00.000 om je Prius op te laten lopen. 0:08:00.000,0:08:03.000 Dat is mijn droom -- om in een virus-aangedreven auto te rijden. 0:08:04.000,0:08:06.000 Maar eigenlijk -- 0:08:06.000,0:08:09.000 je kunt er eentje van het miljard uitpikken. 0:08:09.000,0:08:11.000 Je kunt er allerlei aanpassingen op aanbrengen. 0:08:11.000,0:08:13.000 Je maakt een aanpassing in het lab. 0:08:13.000,0:08:15.000 Daarna laat je het structuren als 0:08:15.000,0:08:17.000 een batterij zelf in elkaar zetten. 0:08:17.000,0:08:19.000 We kunnen dit ook doen met katalyse. 0:08:19.000,0:08:21.000 Dit is het voorbeeld 0:08:21.000,0:08:23.000 van fotokatalytische splitsing van water. 0:08:23.000,0:08:25.000 Wat we hebben gedaan, 0:08:25.000,0:08:28.000 is een virus in elkaar knutselen dat kleurstofabsorberende moleculen pakt, 0:08:28.000,0:08:30.000 en die opstelt op het oppervlak van het virus. 0:08:30.000,0:08:32.000 Dus het werkt als een antenne, 0:08:32.000,0:08:34.000 en je krijgt een energie-uitwisseling over het virus. 0:08:34.000,0:08:36.000 Dan geven we het een tweede gen, 0:08:36.000,0:08:38.000 om het anorganisch materiaal te laten groeien, 0:08:38.000,0:08:40.000 dat gebruikt kan worden om water te splitsen 0:08:40.000,0:08:42.000 in zuurstof en waterstof, 0:08:42.000,0:08:44.000 voor schone brandstof. 0:08:44.000,0:08:46.000 Ik heb vandaag een voorbeeld meegebracht. 0:08:46.000,0:08:48.000 Mijn studenten beloofden me dat het zal werken. 0:08:48.000,0:08:50.000 Dit zijn nano-draadjes die door virussen in elkaar zijn gezet. 0:08:50.000,0:08:53.000 Als je er licht op laat vallen, zie je ze bubbelen. 0:08:53.000,0:08:56.000 In dit geval zie je zuurstofbelletjes vrijkomen. 0:08:57.000,0:09:00.000 In feite kun je door de genen te controleren, 0:09:00.000,0:09:03.000 de vele materialen controleren om de prestaties van je apparaat te verbeteren. 0:09:03.000,0:09:05.000 Het laatste voorbeeld zijn zonnecellen. 0:09:05.000,0:09:07.000 Je kunt dit ook doen met zonnecellen. 0:09:07.000,0:09:09.000 We hebben virussen ontwikkeld 0:09:09.000,0:09:11.000 om koolstof nano-buisjes op te halen 0:09:11.000,0:09:15.000 en daar titaniumdioxide omheen te laten groeien -- 0:09:15.000,0:09:19.000 en gebruiken als een manier om elektronen door het apparaat te krijgen. 0:09:19.000,0:09:21.000 We hebben ontdekt dat we met genetische engineering, 0:09:21.000,0:09:23.000 de efficiëntie van deze 0:09:23.000,0:09:26.000 zonnecellen laten toenemen 0:09:26.000,0:09:28.000 tot recordhoogte 0:09:28.000,0:09:31.000 voor deze types kleurstofgevoelige systemen. 0:09:31.000,0:09:33.000 Zo een heb ik ook meegebracht. 0:09:33.000,0:09:36.000 Straks kun je er buiten wat mee spelen. 0:09:36.000,0:09:38.000 Dit is een op virussen gebaseerde zonnecel. 0:09:38.000,0:09:40.000 Door evolutie en selectie, 0:09:40.000,0:09:43.000 hebben we een zonnecel met acht procent efficiëntie 0:09:43.000,0:09:46.000 tot 11 procent efficiëntie verhoogd. 0:09:46.000,0:09:48.000 Dus ik hoop dat ik jullie ervan overtuigd heb 0:09:48.000,0:09:51.000 dat er een hoop geweldige, interessante dingen te leren zijn 0:09:51.000,0:09:53.000 over hoe de natuur materialen maakt. 0:09:53.000,0:09:55.000 Om de volgende stap te nemen 0:09:55.000,0:09:57.000 om te kijken of je kunt dwingen, 0:09:57.000,0:09:59.000 of dat je voordeel kunt hebben van hoe de natuur materialen maakt, 0:09:59.000,0:10:02.000 om dingen te maken waarvan de natuur zelf niet durft te dromen. 0:10:02.000,0:10:04.000 Dank je.