1
00:00:00,547 --> 00:00:03,714
Я немного расскажу о том,
как природа создаёт материалы.

2
00:00:03,738 --> 00:00:05,928
Я принесла с собой раковину морского ушка.

3
00:00:05,952 --> 00:00:08,527
Эта раковина состоит
из биокомпозитного материала:

4
00:00:08,551 --> 00:00:11,400
на 98 процентов из карбоната кальция

5
00:00:11,424 --> 00:00:13,955
и на два процента из протеина.

6
00:00:13,979 --> 00:00:17,675
В то же время она в 3 000 раз прочнее
своего геологического аналога.

7
00:00:17,699 --> 00:00:21,138
Многие используют подобные структуры,

8
00:00:21,162 --> 00:00:22,314
например мел.

9
00:00:22,338 --> 00:00:25,129
Я была поражена тем,
как природа создаёт материалы,

10
00:00:25,153 --> 00:00:28,508
используя множество секретов
в своей утончённой работе.

11
00:00:28,532 --> 00:00:32,800
Частично потому, что эти материалы
имеют макроскопическую структуру,

12
00:00:32,824 --> 00:00:34,683
но формируются они на нано-уровне.

13
00:00:34,707 --> 00:00:36,375
Они формируются в нано-масштабе

14
00:00:36,399 --> 00:00:40,032
и используют протеины,
кодируемые на генетическом уровне,

15
00:00:40,056 --> 00:00:42,865
что позволяет им строить
такие утончённые структуры.

16
00:00:42,889 --> 00:00:45,121
Я думаю, было бы восхитительно,

17
00:00:45,145 --> 00:00:49,402
если бы мы смогли дать жизнь
таким неживым структурам,

18
00:00:49,426 --> 00:00:51,676
как батарейки или солнечные элементы?

19
00:00:51,700 --> 00:00:53,984
Что, если бы у них были те же способности,

20
00:00:54,008 --> 00:00:55,676
как и у раковины морского ушка,

21
00:00:55,700 --> 00:00:59,382
то есть они смогли бы
строить очень утончённые структуры

22
00:00:59,406 --> 00:01:01,239
при комнатной температуре и давлении,

23
00:01:01,263 --> 00:01:03,308
используя нетоксичные химические элементы

24
00:01:03,332 --> 00:01:06,031
без выброса токсичных элементов
в окружающую среду?

25
00:01:06,055 --> 00:01:09,313
Это концепция, о которой я думала.

26
00:01:09,337 --> 00:01:12,003
И что, если бы вы вырастили
батарейку в чашке Петри?

27
00:01:12,027 --> 00:01:14,917
Что, если бы вы смогли передать
генетическую информацию батарейке

28
00:01:14,941 --> 00:01:18,743
так, чтобы она стала дольше работать

29
00:01:18,767 --> 00:01:20,544
и не загрязнять окружающую среду?

30
00:01:20,935 --> 00:01:24,006
Итак, возвращаясь
к раковине морского ушка,

31
00:01:24,030 --> 00:01:27,095
кроме своей нано-структуры, у неё
есть ещё одна захватывающая вещь:

32
00:01:27,119 --> 00:01:29,587
когда мужская и женская особь встречаются,

33
00:01:29,611 --> 00:01:31,816
они передают генетическую информацию:

34
00:01:31,840 --> 00:01:34,276
«Вот так нужно строить
такой сложный материал.

35
00:01:34,300 --> 00:01:36,800
Вот так делать его при комнатной
температуре и давлении,

36
00:01:36,824 --> 00:01:38,130
используя нетоксичные материалы».

37
00:01:38,154 --> 00:01:40,318
Некоторые из диатомов,
показанных здесь,

38
00:01:40,342 --> 00:01:41,965
имеют структуру стекла.

39
00:01:41,989 --> 00:01:43,676
При каждом воспроизведении

40
00:01:43,700 --> 00:01:45,766
они передают такую
генетическую информацию:

41
00:01:45,790 --> 00:01:49,454
«Вот так строится стекло в океане
c идеальной нано-структурой.

42
00:01:49,478 --> 00:01:51,771
И ты можешь повторить это снова и снова».

43
00:01:51,795 --> 00:01:55,115
А что, если сделать то же самое
с солнечным элементом или батарейкой?

44
00:01:55,139 --> 00:01:58,676
Мой любимый биоматериал —
это мой четырёхлетний ребёнок.

45
00:01:58,700 --> 00:02:01,937
Но все, кто имел дело с маленькими детьми,

46
00:02:01,961 --> 00:02:03,977
знают, что они невероятно
сложные организмы.

47
00:02:04,001 --> 00:02:07,697
И если вы хотите уговорить их
делать то, что они не хотят, —

48
00:02:07,721 --> 00:02:08,879
это очень сложно.

49
00:02:08,903 --> 00:02:10,919
Поэтому, когда мы думаем
о технологиях будущего,

50
00:02:10,943 --> 00:02:14,161
мы думаем об использовании
бактерий или вирусов —

51
00:02:14,185 --> 00:02:15,393
простых организмов.

52
00:02:15,417 --> 00:02:18,073
Могу ли я уговорить их работать
с новыми инструментами,

53
00:02:18,097 --> 00:02:21,347
чтобы они смогли строить
необходимые мне структуры?

54
00:02:21,371 --> 00:02:23,672
Также, думая о будущих технологиях,

55
00:02:23,696 --> 00:02:25,909
мы начнем с возникновения Земли.

56
00:02:25,933 --> 00:02:29,676
Понадобился примерно миллиард лет,
чтобы на Земле зародилась жизнь.

57
00:02:29,700 --> 00:02:31,811
И очень скоро, она стала многоклеточной,

58
00:02:31,835 --> 00:02:34,412
организмы смогли воспроизводиться,
использовать фотосинтез

59
00:02:34,436 --> 00:02:36,373
как источник энергии.

60
00:02:36,397 --> 00:02:38,739
Однако только около
500 миллионов лет назад,

61
00:02:38,763 --> 00:02:40,795
во время кембрийского
геологического периода,

62
00:02:40,819 --> 00:02:43,864
эти организмы в океане
стали делать твёрдые материалы.

63
00:02:43,888 --> 00:02:47,452
До этого они все были мягкими,
слабыми структурами.

64
00:02:47,476 --> 00:02:50,164
Именно в это время
количество кальция, железа и кремния

65
00:02:50,188 --> 00:02:52,044
в окружающей среде увеличилось.

66
00:02:52,068 --> 00:02:55,310
И организмы научились делать
твёрдые материалы.

67
00:02:55,334 --> 00:02:57,525
Это то, что я хотела бы научиться делать —

68
00:02:57,549 --> 00:03:01,176
убедить биологию работать
с остальной периодической таблицей.

69
00:03:01,200 --> 00:03:03,388
Если вы взглянете на биологию,

70
00:03:03,412 --> 00:03:07,230
то здесь существует много структур:
ДНК, антителá, протеины и рибосомы,

71
00:03:07,254 --> 00:03:08,454
о которых вы слышали,

72
00:03:08,478 --> 00:03:09,924
которые имеют нано-структуры.

73
00:03:09,948 --> 00:03:13,456
То есть природа уже даёт нам очень
сложные структуры в нано-масштабе.

74
00:03:13,480 --> 00:03:15,179
Что, если бы смогли запрячь их

75
00:03:15,203 --> 00:03:19,901
и убедить их не быть антителами,
которые, например, вызывают ВИЧ?


76
00:03:19,925 --> 00:03:23,301
Что, если бы мы смогли убедить их
построить для нас солнечный элемент?

77
00:03:24,074 --> 00:03:25,424
Вот несколько примеров:

78
00:03:25,448 --> 00:03:27,605
природные раковины,
естественный биоматериал.

79
00:03:27,629 --> 00:03:28,821
Вот раковина морского ушка.

80
00:03:28,845 --> 00:03:32,232
Если вы её разломите,
то увидите, что это нано-структура.

81
00:03:32,256 --> 00:03:34,384
Здесь есть диатомеи, сделанные из кварца,

82
00:03:34,408 --> 00:03:36,266
и бактерия-магнетотактик,

83
00:03:36,290 --> 00:03:39,676
которая делает одиночные магниты,
используемые для навигации.

84
00:03:39,700 --> 00:03:41,368
Общее у них то,

85
00:03:41,392 --> 00:03:43,949
что все эти материалы
состоят из нано-структур.

86
00:03:43,973 --> 00:03:47,299
Последовательность их ДНК
кодирует последовательность протеинов,

87
00:03:47,323 --> 00:03:48,829
которая передаёт им шаблон

88
00:03:48,853 --> 00:03:51,676
для постройки
этих великолепных структур.

89
00:03:51,700 --> 00:03:53,882
Теперь, возвращаясь
к раковине морского ушка,

90
00:03:53,906 --> 00:03:56,486
морское ушко делает раковину,
используя эти протеины.

91
00:03:56,510 --> 00:03:58,534
Эти протеины очень отрицательно заряжены.

92
00:03:58,558 --> 00:04:00,733
Они собирают кальций из окружающей среды,

93
00:04:00,757 --> 00:04:04,296
складывают слоями кальций
и карбонат, кальций и карбонат.

94
00:04:04,320 --> 00:04:07,213
Химическая последовательность
аминокислот в них говорит:

95
00:04:07,237 --> 00:04:08,960
«Вот так нужно строить структуру.

96
00:04:08,984 --> 00:04:11,428
Вот последовательность ДНК
и последовательность протеинов

97
00:04:11,452 --> 00:04:12,603
для её постройки».

98
00:04:12,627 --> 00:04:13,874
А что, если бы можно было

99
00:04:13,898 --> 00:04:16,151
взять любой материал

100
00:04:16,175 --> 00:04:17,953
или элемент из периодической таблицы

101
00:04:17,977 --> 00:04:20,335
и найти соответствующую
последовательность ДНК,

102
00:04:20,359 --> 00:04:24,046
закодировать соответствующую
последовательность протеинов,

103
00:04:24,070 --> 00:04:25,706
для построения структуры,
но не раковину,

104
00:04:25,730 --> 00:04:30,304
а что-то, с чем природа ещё
не имела возможности поработать.

105
00:04:30,954 --> 00:04:33,272
Это периодическая таблица.

106
00:04:33,296 --> 00:04:35,083
Я обожаю периодическую таблицу.

107
00:04:35,107 --> 00:04:37,732
Каждый год для первокурсников в MIT

108
00:04:37,756 --> 00:04:39,683
я делаю периодическую таблицу
с надписью:

109
00:04:39,707 --> 00:04:41,844
«Добро пожаловать в MIT.
Вы в своём элементе».

110
00:04:41,868 --> 00:04:42,877
(Смех)

111
00:04:42,901 --> 00:04:45,190
На обратной стороне есть аминокислоты

112
00:04:45,214 --> 00:04:47,676
и PH, при котором они имеют разные заряды.

113
00:04:47,700 --> 00:04:50,676
Я раздаю её тысячам людей.

114
00:04:50,700 --> 00:04:52,796
Я знаю, на ней написано MIT,
а мы в Caltech,

115
00:04:52,820 --> 00:04:54,884
но у меня есть пара штук, если кто-то захочет.

116
00:04:54,908 --> 00:04:59,227
Мне очень повезло, президент Обама
посетил мою лабораторию в этом году,

117
00:04:59,251 --> 00:05:00,640
когда приезжал в MIT,

118
00:05:00,664 --> 00:05:02,962
и мне очень хотелось дать ему
периодическую таблицу.

119
00:05:02,986 --> 00:05:05,328
Я не спала всю ночь и говорила своему мужу:

120
00:05:05,352 --> 00:05:07,608
«Как я дам президенту Обаме
периодическую таблицу?

121
00:05:07,632 --> 00:05:09,700
А если он скажет,
что у него уже такая есть,

122
00:05:09,724 --> 00:05:11,364
или что он и так её знает наизусть?»

123
00:05:11,388 --> 00:05:12,396
(Смех)

124
00:05:12,420 --> 00:05:15,700
В общем, он пришёл в лабораторию —
визит прошёл замечательно.

125
00:05:15,724 --> 00:05:17,058
А после я сказала:

126
00:05:17,082 --> 00:05:19,445
«Сэр, я бы хотела дать вам
периодическую таблицу,

127
00:05:19,469 --> 00:05:22,832
на случай если вам вдруг понадобится
посчитать молекулярный вес».

128
00:05:22,856 --> 00:05:23,942
(Смех)

129
00:05:23,966 --> 00:05:27,480
Я подумала, что молекулярный вес
звучит понятнее, чем молярная масса.

130
00:05:27,504 --> 00:05:28,575
(Laughter)

131
00:05:28,599 --> 00:05:31,498
Он посмотрел на неё и сказал:

132
00:05:31,522 --> 00:05:33,536
«Спасибо. Я буду периодически
на неё посматривать».

133
00:05:33,560 --> 00:05:35,676
(Смех)

134
00:05:35,700 --> 00:05:39,676
(Аплодисменты)

135
00:05:39,700 --> 00:05:42,676
Позже в своей лекции по чистой энергии

136
00:05:42,700 --> 00:05:44,000
он достал её и сказал:

137
00:05:44,024 --> 00:05:46,762
«И люди в MIT, они раздают
периодические таблицы».

138
00:05:46,786 --> 00:05:49,094
Я вам ещё не сказала,

139
00:05:49,118 --> 00:05:52,719
что около 500 миллионов лет назад
организмы начали делать материалы,

140
00:05:52,743 --> 00:05:55,577
но им понадобилось 50 миллионов лет,
чтобы усовершенствовать их.

141
00:05:55,601 --> 00:05:59,048
Им понадобилось 50 миллионов лет,
чтобы научиться делать такую раковину.

142
00:05:59,072 --> 00:06:01,196
Такой рекламой сложно
заинтересовать аспиранта.

143
00:06:01,220 --> 00:06:03,757
«У меня есть великолепный проект...
на 50 миллионов лет».

144
00:06:03,781 --> 00:06:07,285
Поэтому нам пришлось придумывать,
как ускорить этот процесс.

145
00:06:07,309 --> 00:06:12,062
Мы использовали нетоксичный вирус
М13 — это бактериофаг,

146
00:06:12,086 --> 00:06:14,043
чья работа — заражать бактерии.

147
00:06:14,067 --> 00:06:15,773
У него очень простая структура ДНК,

148
00:06:15,797 --> 00:06:19,925
поэтому ему можно вставить
дополнительную ДНК последовательность.

149
00:06:19,949 --> 00:06:24,442
Это позволяет вирусу создавать
произвольную последовательность протеинов.

150
00:06:24,466 --> 00:06:26,379
И это очень простая биотехнология.

151
00:06:26,403 --> 00:06:28,650
Можно повторять это миллиард раз.

152
00:06:28,674 --> 00:06:30,984
Следовательно, можно получить
миллиард разных вирусов,

153
00:06:31,008 --> 00:06:32,715
которые генетически идентичны,

154
00:06:32,739 --> 00:06:35,177
но отличаются друг от друга

155
00:06:35,201 --> 00:06:36,802
одной последовательностью,

156
00:06:36,826 --> 00:06:38,315
которая кодирует один протеин.

157
00:06:38,339 --> 00:06:42,093
Теперь, если мы возьмём миллиард вирусов
и поместим их в одну каплю жидкости,

158
00:06:42,117 --> 00:06:44,626
мы сможем заставить их
взаимодействовать с любым элементом

159
00:06:44,650 --> 00:06:45,831
периодической таблицы.

160
00:06:45,855 --> 00:06:47,972
И путём выборочной эволюции

161
00:06:47,996 --> 00:06:51,300
мы можем выбрать из миллиарда один,
который сделает то, что ты захочешь,

162
00:06:51,324 --> 00:06:53,078
например, вырастит батарейку
или солнечный элемент.

163
00:06:53,102 --> 00:06:56,138
Вирусы не могут сами воспроизводиться,
им нужен носитель.

164
00:06:56,162 --> 00:06:58,126
Когда мы находим этот один из миллиарда,

165
00:06:58,150 --> 00:07:01,587
мы инфицируем бактерию
и делаем миллионы и миллиарды копий

166
00:07:01,611 --> 00:07:02,999
этой конкретной последовательности.

167
00:07:03,023 --> 00:07:05,201
Ещё одна замечательная вещь в биологии —

168
00:07:05,225 --> 00:07:08,367
она даёт очень утончённые структуры

169
00:07:08,391 --> 00:07:09,676
с замечательными связями.

170
00:07:09,700 --> 00:07:11,511
Эти вирусы длинные и тонкие,

171
00:07:11,535 --> 00:07:13,700
и мы можем заставить их

172
00:07:13,724 --> 00:07:15,676
выращивать, например, полупроводники

173
00:07:15,700 --> 00:07:17,806
или материал для батареек.

174
00:07:17,830 --> 00:07:20,676
Это высоко-мощная батарейка,
выращенная в моей лаборатории.

175
00:07:20,700 --> 00:07:23,413
Мы разработали вирус,
который подбирает нанотрубки.

176
00:07:23,437 --> 00:07:25,676
Одна часть вируса берёт
углеродную нанотрубку,

177
00:07:25,700 --> 00:07:27,785
у другой части есть последовательность,

178
00:07:27,809 --> 00:07:30,433
которая может вырастить
электродный материал для батарейки,

179
00:07:30,457 --> 00:07:33,156
после чего он прикрепляется
к токоприёмнику.

180
00:07:33,180 --> 00:07:35,676
И через процесс выборочной эволюции

181
00:07:35,700 --> 00:07:38,842
мы пришли от вируса, который сделал
второсортную батарейку

182
00:07:38,866 --> 00:07:40,547
к вирусу, который сделал
хорошую батарейку,

183
00:07:40,571 --> 00:07:43,443
а потом к вирусу, который сделал
очень мощную батарейку.

184
00:07:43,467 --> 00:07:46,634
Все они были сделаны при комнатной температуре, фактически на обычном столе.

185
00:07:46,658 --> 00:07:50,128
И эта батарейка ездила в Белый Дом
на пресс-конференцию.

186
00:07:50,152 --> 00:07:51,563
Я принесла её с собой.

187
00:07:51,587 --> 00:07:54,366
Сейчас она подсвечивает LED лампочку.

188
00:07:54,390 --> 00:07:56,445
Если мы сможем изменить масштаб,

189
00:07:56,469 --> 00:08:00,429
то вы бы смогли использовать её,
чтобы ездить на своей Toyota Prius,

190
00:08:00,453 --> 00:08:03,797
Это моя мечта — ездить на машине,
заряженной вирусом.

191
00:08:03,821 --> 00:08:04,938
(Смех)

192
00:08:04,962 --> 00:08:09,676
По существу, мы выбираем
один из миллиарда,

193
00:08:09,700 --> 00:08:11,618
а потом копируем много раз.

194
00:08:11,642 --> 00:08:13,915
Копирование происходит в лаборатории.

195
00:08:13,939 --> 00:08:17,233
А потом они самособираются
в такую структуру, как батарейка.

196
00:08:17,257 --> 00:08:19,523
Мы также смогли сделать это с катализом.

197
00:08:19,547 --> 00:08:23,478
Вот пример расщепления воды
с помощью фото катализа.

198
00:08:23,502 --> 00:08:26,490
Мы смогли разработать вирус,

199
00:08:26,514 --> 00:08:28,800
который фактически окрашивает молекулы

200
00:08:28,824 --> 00:08:30,879
и выстраивает их на поверхности вируса,

201
00:08:30,903 --> 00:08:32,214
и они работают как антенна,

202
00:08:32,238 --> 00:08:34,911
которая распределяет энергию по вирусу.

203
00:08:34,935 --> 00:08:38,198
После этого мы даём ему второй ген,
который позволяет растить

204
00:08:38,222 --> 00:08:42,214
неорганический материал,
использующийся для расщепления воды

205
00:08:42,238 --> 00:08:44,452
на кислород и водород, который можно
использовать как чистое топливо.

206
00:08:44,476 --> 00:08:46,552
Я принесла сюда образец.

207
00:08:46,576 --> 00:08:48,394
Мои студенты обещали,
что он будет работать.

208
00:08:48,418 --> 00:08:50,845
Эти нано-провода собраны вирусом.

209
00:08:50,869 --> 00:08:53,676
Если на них посветить,
можно увидеть пузырьки.

210
00:08:53,700 --> 00:08:56,635
В данном случае пузырится
выходящий кислород.

211
00:08:56,659 --> 00:08:57,968
(Аплодисменты)

212
00:08:57,992 --> 00:09:00,676
Контролируя эти гены,

213
00:09:00,700 --> 00:09:04,034
можно контролировать много материалов,
чтобы улучшить работу устройства.

214
00:09:04,058 --> 00:09:05,764
Последний пример — солнечные элементы.

215
00:09:05,788 --> 00:09:07,603
Можно поступить точно так же
с солнечными элементами.

216
00:09:07,627 --> 00:09:10,889
У нас получилось вырастить вирусы,
которые подбирают углеродные трубки

217
00:09:10,913 --> 00:09:15,016
и потом выращивают
диоксид титана вокруг них,

218
00:09:15,040 --> 00:09:19,059
чтобы можно было пропускать
электроны через устройство.

219
00:09:19,083 --> 00:09:21,547
Мы обнаружили,
что с помощью генной инженерии

220
00:09:21,571 --> 00:09:26,374
можно увеличить
эффективность этих солнечных элементов

221
00:09:26,398 --> 00:09:28,375
до рекордных показателей

222
00:09:28,399 --> 00:09:31,676
для такого вида
светочувствительных систем.

223
00:09:31,700 --> 00:09:33,676
Я также принесла сюда один экземпляр.

224
00:09:33,700 --> 00:09:36,878
С ним можно ознакомиться после.

225
00:09:36,902 --> 00:09:38,767
Это солнечный элемент на основе вируса.

226
00:09:38,791 --> 00:09:40,676
С помощью эволюции и отбора,

227
00:09:40,700 --> 00:09:44,196
мы смогли увеличить
эффективность с 8 процентов

228
00:09:44,220 --> 00:09:46,304
до 11 процентов.

229
00:09:46,328 --> 00:09:48,161
Надеюсь, я вас убедила,

230
00:09:48,185 --> 00:09:52,052
что ещё очень много интересного
можно узнать о том,

231
00:09:52,076 --> 00:09:53,676
как природа создаёт материалы,

232
00:09:53,700 --> 00:09:55,351
и подняться на следующую ступеньку,

233
00:09:55,375 --> 00:09:59,872
чтобы увидеть, сможем ли мы
воспользоваться этими знаниями

234
00:09:59,896 --> 00:10:02,577
чтобы создать то, о чём природа
ещё и не мечтала.

235
00:10:02,601 --> 00:10:03,748
Спасибо.

236
00:10:03,778 --> 00:10:05,202
(Аплодисменты)