Opowiem pokrótce jak natura tworzy materiały.
Mam ze sobą muszlę ślimaka słuchotka.
To materiał biokompozytowy sładający się
w 98% z węglanu wapnia
oraz w 2% z białka.
A jednak jest 3000 razy wytrzymalszy
niż jego geologiczny odpowiednik.
Wiele ludzi może używać muszli
jako kredy.
Fascynuje mnie jak natura tworzy materiały
jest dużo etapow składających się na
tak wyrafinowaną pracę.
Te materiały
są makroskopowe w strukturze
ale uformowane w nanoskali.
Stworzone w nanoskali,
wykorzystują białka zakodowane w genach
pozwalające budować te skomplikowane struktury.
Coś co moim zdaniem jest fascynujące -
co jeśli można by dać życie
takim nieżyjącym strukturom
jak baterie i ogniwa słoneczne?
Co jeśli miałyby te same zdolności
co muszle
w kontekście bycia zdolnym
do budowy naprawdę wyrafinowanych struktur
w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu
używając nietoksycznych materiałów
i nie wydzielając toksycznych materiałów do środowiska?
To jest wizja o której myślałam.
Co jeśli można wyhodować baterię w szalce petriego?
Lub co jeśli można podać informację baterii
tak aby stała się lepsza
jako funkcję czasu
i zrobić to w przyjazny środowisku sposób?
Wracając do muszli
oprócz tego że jest nanostrukturą
fascynujące jest
gdy męska i żeńska muszle łączą się
przekazują informację genetyczną
która mówi "Oto jak wytworzyć wyrafinowany materiał.
Jak zrobić to w warunkach normalnych
używając nietoksycznych materiałów."
Tak samo z glonami jednokomórkowymi mającymi szklaną strukturę.
Przy każdej replikacji glonów
przekazują geny mówiące
"Oto jak wytworzyć szkło w oceanie
które ma idealną nanostrukturę.
Możesz to robić w kółko."
Co jeśli można zrobić to samo
z ogniwem słonecznym lub baterią?
Mój ulubiony biomateriał to mój czterolatek.
Każdy kto ktokolwiek miał lub zna małe dziecko
wie, że to niesamowicie złożone organizmy.
Jeśli spróbujecie je przekonać
do czegoś czego nie chcą, jest to trudne.
Gdy myślimy o technologiach przyszłości,
myślimy o użyciu bakterii lub wirusa,
prostych organizmów.
Czy można je przekonać do pracy z nowymi narzędziami,
tak aby mogły zbudować strukturę
o którą mi chodzi?
Chodzi tu o nowe technologie.
Zacznijmy od początków Ziemii.
W zasadzie aż miliard lat minęło
zanim powstało na niej życie.
Bardzo szybko pojawiły się wielokomórcowce,
mogły replikować, prowadzić fotosyntezę
aby pozyskiwać energię.
Ale dopiero około 500 milionów lat temu
podczas epoki kambru,
organizmy morskie zaczęły tworzyć twarde materiały.
Przedtem były to gładkie, pierzaste struktury.
W tym okresie
były zwiększone ilości wapna, żelaza
oraz krzemu w środowisku.
Organizmy nauczyły się tworzenia twardych materiałów.
W ten sposób
można przekonać biologię
do pracy z resztą układu okresowego.
Jeśli chodzi o biologię
jest wiele struktur jak DNA czy przeciwciał
białek i rybosomów o których słyszeliście
które są właśnie nanostrukturami.
Więc natura już osiągnęła
naprawdę imponujące struktury w nanoskali.
Co jeśli moglibyśmy zaprząc je
i przekonać że nie są antygenem
podobnie jak robi to HIV?
Co jeśli moglibyśmy je przekonać
do budowy ogniwa słonecznego?
Oto parę przykładów: to kilka naturalych muszli
To naturalne biologicznie materiały.
To muszla ślimaka słuchotka - jeśli ją podzielić
można zauważyć, że jest nanostrukturą.
Te okrzemki zbudowane są z tlenku krzemu
i są bakteriami magnetotaksyjnymi
które są wykorzystywane w małych magnesach o pojedynczej domenie używanych w nawigacji
Ich cechą wspólną jest to,
że wszystkie te materiały mają strukturę w nanoskali
i posiadają sekwencję DNA
która koduje łańcuch białek
i tworzy ich kopię
aby możliwe było tworzenie tych niesamowitych struktur.
Wracając do muszli ślimaka słuchotka
- ślimak tworzy muszlę z białek.
Białka te są naładowane ujemnie.
I są w stanie pobierać wapń z otoczenia
tworząc najpierw warstwę wapnia, potem węglanów, znowu wapnia, i znowu węglanów.
Jest to sekwencja chemiczna taka jak w aminokwasach
i oznacza, "Tak właśnie należy budować tę strukturę.
Oto sekwencja DNA, tutaj jest łańcuch białek
potrzebna do jej stworzenia."
Ciekawe co by się stało gdyby można było wziąć jakikolwiek materiał
lub dowolny pierwiastek z układu okresowego
i znaleźć odpowiadający mu ciąg DNA
a następnie zakodować go według odpowiadającego mu ciągu białek
tak, aby powstała struktura, jednak nie taka jak muszla słuchotka
zbudować coś co w naturze
nigdy przedtem nie wystąpiło.
Tak więc mamy tu układ okresowy.
Uwielbiam układ okresowy.
Co roku pokazuję nowym studentom Instytutu Technologii w Massachusetts
układ okresowy z napisem
"Witajcie w Instytucie Technologii w Massachusetts. Teraz jesteście w swoim żywiole."
Na odwrocie tablicy jest plansza dotycząca aminokwasów
i różnych poziomów PH, w których ich ładunek się zmienia.
I tak pokazuję to tysiącom osób.
Wiem, że napisane jest tam, że to Instytut Technologii w Massachusetts a my jesteśmy w Instytucie Technologii w Kalifornii
ale mam zawsze kilka dodatkowych jeśli ktoś chce go mieć.
Jestem szczęściarzem
bo Prezydent Obama odwiedził w tym roku moje laboratorium
w trakcie swojej wizyty w Instytucie Technologii w Massachusetts
i bardzo chciałam podarować mu układ okresowy.
Nie spałam przez całą noc i rozmawiałam z mężem
"W jaki sposób mam dać prezydentowi układ okresowy?
Co jeśli powie, "Hm, właściwie mam już jeden,"
albo "Znam go już na pamięć"?"
W końcu przyszedł do mojego laboratorium
i rozejrzał się - to było wspaniałe spotkanie.
A potem powiedziałam
"Panie prezydencie, chciałabym panu dać układ okresowy
na wypadek gdyby nagle potrzebował pan obliczyć masę cząsteczkową."
Pomyślałam że 'masa cząsteczkowa' brzmi znacznie mniej naukowo
niż masa molowa.
A on spojrzał na planszę
i powiedział
"Dziękuję. Będę patrzył na niego okresowo."
(Śmiech)
(Brawa)
A później podczas swojego wykładu na temat czystej energii
wyciągnął go i powiedział
"A ludzie z Instytutu Technologii Massachusetts rozdają układy okresowe."
Więc właściwie nie powiedziałam wam
że 500 milionów lat temu organizmy zaczęły produkować materiały
ale zajęło im to około 50 milionów lat by dojść do wprawy.
%0 milionów lat zajęło im
jak stworzyć doskonałą muszlę ślimaka słuchotka.
Ciężko to sprzedać studentowi ostatniego roku.
"Mam świetny projekt - trwa 50 milionów lat."
Dlatego musieliśmy wykształcić sposób
by zrobić to szybciej.
Dlatego używamy wirusa ktory nie jest toksyczny
i nazywa się bakteriofag M13
jego zadaniem jest zainfekować bakterie.
Ma on bardzo prostą strukturę DNA
do której można wniknąć, skopiować fragment i wkleić
w to miejsce dodatkowe DNA.
A to pozwala wirusowi
odzwierciedlać przypadkowe łańcuchy białkowe.
Taka biotechnologia jest całkiem prosta.
Można to powtarzać właściwie miliardy razy.
I można w ten sposób uzyskać miliardy różnych wirusów
które genetycznie są identyczne
ale różnią się między sobą
tylko jedną sekwencją
która koduje jedno białko.
A teraz jeśli weźmiecie miliard wirusów
i umieścicie je w jednej kropli płynu
możecie sprawić że wejdą w reakcję z każdym pierwiastkiem z układu okresowego.
Poprzez proces naturalnej selekcji
możesz wybrać jeden który robi dokładnie to co chcesz
np. tworzy baterię lub baterię słoneczną
Wirusy nie mogą się same rozmnażać, potrzebują żywiciela.
Jak tylko znajdziesz tego jednego wśród miliarda innych
możesz nim zakazić bakterię
i w ten sposób stworzyć miliardy lub biliony kopii
tej konkretnej sekwencji
A więc kolejna piękna rzecz w biologii
to to, że daje nam wspaniałe struktury
które są ze sobą ściśle połączone.
Wirusy są długie i smukłe
i możemy sprawić że zaczną wykazywać zdolność
do wytwarzania czegoś na kształt półprzewodników
lub materiałów do produkcji baterii.
Oto bateria o wysokiej mocy którą wyhodowaliśmy w moim laboratorium.
Sprawiliśmy że wirusy zaczęły wychwytywać nanorurki węglowe.
tak więc jedna część wirusa chwyta nanorurkę węglową.
Druga część natomiast ma sekwencję
z której można wyhodować materiał elektrodowy na baterię.
A później podłącza się to do istniejącego kolektora.
Tak więc poprzez proces naturalnej selekcji
przeszliśmy od wirusa który wytworzył baterię kiepskiej jakości
poprzez wirusa który stał się dobrą baterią
aż do wirusa który dał początek baterii o rekordowo wysokiej mocy
a to wszystko w temperaturze pokojowej bez użycia specjalistycznej aparatury.
Bateria pojechała na konferencję prasową w Białym Domu.
Przyniosłam ją również tu.
Możecie ją zobaczyć w tej skrzyni - dostarcza energię do lampy LED.
Gdyby była możliwość powiększenia tego
można by tego używać do
napędzania samochodu
co jest moim marzeniem - jeździć samochodem napędzanym wirusem.
Ale w rzeczywistości
jest to szansa jedna na miliard.
Można powielać je w nieskończoność.
Powielanie następuje w laboratorium.
Następnie zaczynają one gromadzić się samodzielnie
tworząc struktury podobne do baterii.
Jesteśmy w stanie to zrobić również w przypadku katalizy.
Oto przykład
fotokatalitycznego rozszczepienia wody.
I do czego byliśmy zdolni
to sprawienie, że wirus zaczął pobierać molekuły absorbujące barwnik
i ustawić je na powierzchni wirusa
tak by działały jak antena
i przekazywały energię przez cały wirus.
A później przekazuje ją do kolejnego genu
aby wytworzyć materiał nieorganiczny
który może być wykorzystany do rozszczepienia wody
na tlen i wodór
który z kolei ma zastosowanie w paliwach ekologicznych.
Przyniosłam przykład tego żeby wam dziś pokazać.
Moi studenci obiecali że zadziała.
Są to nanoprzewody zgromadzone za pomocą wirusów
Kiedy się skieruje na nie strumień światła widać jak puszczają bąbelki.
W tym przypadku widzicie bąbelki z tlenu które się wydostają.
Poprzez kontrolowanie genów
można kontrolować wiele materiałów wspomagających pracę urządzenia.
Ostatnim przykładem są ogniwa solarne.
Można to zrobić także z ogniwami solarnymi.
Sprawiliśmy że wirusy
zaczęły wychwytywać nanorurki węglowe
a następnie otaczać je dwutlenkiem tytanu -
w ten sposób sprawiając że elektrony przechodziły przez urządzenie.
Odkryliśmy że poprzez inżynierię genetyczną
możemy zwiększyć
wydajność ogniw solarnych
do rekordowych poziomów
jak dla takich systemów syntezujących barwniki.
Przyniosłam też jedno
żebyście mogli pobawić się tym na zewnątrz później.
Tak więc jest to ogniwo solarne oparte na wirusach.
Poprzez ewolucję i selekcję
sprawiliśmy że efektywność tego ogniwa wzrosła z 8%
do 11%.
Tak więc mam nadzieję że was przekonałam
do tego, że istnieje wiele wspaniałych, ciekawych rzeczy do nauczenia się
na temat tego jak natura tworzy materiały
i jak popycha je o krok dalej
by sprawdzić czy możecie tworzyć
lub chociaż korzystać z naturalnych sposobów tworzenia materiałów
by tworzyć rzeczy o których natura nawet nie śniła.
Dziękuję.