Angela Blecher: Mit der Natur Batterien schaffen

Von einer Abalone-Muschel inspiriert, programmiert Angela Belcher Viren darauf, elegante Nanostrukturen zu erzeugen, die von Menschen genutzt werden können. Durch die Auswahl hochleistungsfähiger Gene mittels gesteuerter Evulotion erzeugt sie Viren, die kraftvolle neue Batterien hervorbringen, saubere Wasserstoff-Treibstoffe und rekordbrechende Solarzellen. Bei TEDxCaltech zeigt sie uns, wie das geht.

Ich dachte, ich erzähle ein wenig davon, wie die Natur Stoffe schafft.

Hier habe ich eine Abalone-Muschel.

Diese Abalone-Muschel ist ein Biokomposit,

das zu 98 Massenprozent aus Calziumkarbonat besteht

und zwei Massenprozent Eiweiß.

Dennoch ist es 3000 Mal so hart

wie sein geologisches Gegenstück.

Und viele Menschen nutzen wohl Strukturen wie die Abalone-Muschel,

wie zum Beispiel Tafelkreide.

Mich fasziniert schon lang, wie die Natur Stoffe hervorbringt,

und es kommt eine Menge zusammen,

dass sie darin so hervorragend ist.

Ein Teil ist, dass diese Materialien

eine makroskopische Struktur haben,

jedoch auf der Nanoebene gebildet werden.

Sie werden auf der Nanoebene gebildet,

und sie nutzen Proteine, die auf genetischer Ebene kodiert sind

und ihnen erlauben, diese wirklich vorzüglichen Strukturen hervorzubringen.

Daher bin ich manchmal fasziniert von der Idee

diesen unbelebten Strukturen

Leben einzuhauchen,

wie Batterien und Solarzellen.

Was, wenn sie einige der Fähigkeiten

der Abalone-Muschel hätten,

also in der Lage wären,

diese vorzüglichen Strukturen zu schaffen,

bei Raumtemperatur und -druck,

ohne giftige Chemikalien

und ohne Umweltvergiftung?

Das ist also die Vision, die ich seit langem habe.

Und was, wenn man eine Batterie in einer Petrischale züchten könnte?

Oder man einer Batterie genetische Information geben könnte,

so dass sie tatsächlich

mit der Zeit besser wird,

und das auf umweltfreundliche Art?

Und wenn wir nun zur Abalone-Muschel zurückkehren,

abgesehen von ihrer Nanostruktur

begeistert eine Sache:

wenn eine männliche und eine weibliche Abalone zusammen kommen,

geben sie genetische Information weiter,

die sagt: "So baut man ein vorzügliches Material.

So macht man es bei Raumtemperatur und -druck,

ohne giftige Stoffe."

Genauso bei Kieselalgen, gläsernen Strukturen, die man hier sieht.

Jedes Mal, wenn die Kieselalgen sich vermehren,

geben sie genetische Information weiter, die sagt:

"So wird Glas im Meer gemacht,

das eine perfekte Nanostruktur hat.

Und das kann man beliebig wiederholen."

Was wäre, wenn man dassselbe

mit einer Solarzelle oder Batterie machen könnte?

Mein liebstes Biomaterial ist ja mein Vierjähriger.

Aber jeder der mal eins hatte, oder kleine Kinder kennt weiß,

dass sie unglaublich komplexe Organismen sind.

Wenn man sie also überzeugen wollte,

etwas zu tun, das sie nicht wollen, ist das sehr schwierig.

Wenn wir über zukünftige Technologien nachdenken,

denken wir daher eher an den Gebrauch von Bakterien und Viren,

einfachen Organismen.

Kann man sie dafür gewinnen, mit einem neuen Werkzeugsatz zu arbeiten,

damit sie Strukturen hervorbringen,

die für mich bedeutsam sind?

Daneben denken wir an zukünftige Technologien.

Wir beginnen beim Anfang der Welt.

Im Grunde brauchte es eine Milliarde Jahre,

bis auf der Erde Leben enstand.

Und sehr schnell wurde es vielzellig,

die Zellen konnten sich teilen, sie konnten Photosynthese

zur Energiegewinnung einsetzen.

Aber erst vor etwa 500 Millionen Jahren –

während der Kambrischen Ära –

begannen Meeresorganismen, harte Stoffe zu bilden.

Davor gab es nur weiche, flockige Strukturen.

Und während dieser Zeit

gab es vermehrt Kalzium, Eisen

und Silikon in der Lebenswelt.

Da lernten die Organismen, harte Stoffe zu bilden.

Das würde ich also gern können –

die Biologie dazu bringen,

mit dem übrigen Teil des Periodensystems zu arbeiten.

Wenn man nun die Biologie betrachtet,

gibt es viele Strukturen wie DNS und Antikörper

und Proteine und Ribosomen von denen man gehört hat,

dass sie bereits nanostrukturiert sind.

Die Natur zeigt uns also bereits

wirklich bemerkenswerte Strukturen im Nanomaßstab.

Was, wenn wir sie einspannen könnten,

und überzeugen, kein Antikörper zu sein,

der etwas wie HIV hervorbringt?

Was aber, wenn wir sie dazu bringen könnten,

eine Solarzelle für uns zu bauen?

Hier nun einige Beispiele: dies sind einige natürliche Muscheln.

Es gibt natürliche biologische Materialien.

Die Abalone-Muschel hier – und wenn man sie bricht,

kann man feststellen, das sie eine Nanostruktur hat.

Diese Diatome sind aus Siliziumdioxid,

und sie sind magnetotaktische Bakterien,

die kleine einpolige Magneten zur Navigation ausbilden.

Sie alle haben gemeinsam,

dass diese Materialen im Nanomaßstab strukturiert sind,

und sie haben eine DNS-Sequenz,

die eine Proteinsequenz beschreibt,

die ihnen Vorlage ist,

damit sie diese wunderbaren Strukturen bilden können.

Nun, kommen wir zurück zur Abalone-Muschel:

die Abalone produziert diese Muschel, weil sie diese Proteine hat.

Diese Proteine sind stark negativ geladen.

Und sie können Kalzium aus der Umgebung anziehen,

und eine Schicht aus Kalzium und dann Karbonat bilden, Kalzium und Karbonat.

Sie hat die chemischen Strukturen von Aminosäuren

die sagen: "So wird diese Struktur gemacht.

Hier ist die DNS-Sequenz, hier die Proteinsequenz,

damit es klappt."

Der interessante Aspekt ist, was man tun könnte, wenn man jedes beliebige Material

oder jedes Element der Periodentafel nehmen könnte,

und die korrespondierende DNS-Sequenz finden,

diese dann für die entsprechende Proteinsequenz programmierte,

damit eine Struktur einstünde, aber keine Abalone-Muschel –

etwas zu bauen, auf natürlichen Weg,

für das es vorher keine Gelegenheit hatte.

Hier nun die Periodentafel.

Und ich liebe die Periodentafel sehr.

Jedes Jahr wenn die Neulinge ans MIT kommen,

lasse ich eine Periodentafel machen, auf der steht:

"Wilkommen am MIT, ihr seid nun in eurem Element."

Und wenn man es umschlägt sieht man die Aminosäuren

mit den PH-Werten, bei denen sie verschiedene Ladungen haben.

So verteile ich das an tausende Leute.

Und obwohl MIT draufsteht und wir hier in Caltech sind,

habe ich ein paar mehr dabei, falls jemand eins will.

Ich hatte das Glück,

dass Präsident Obama dieses Jahr mein Labor besuchte,

während seines Besuchs am MIT,

und ich wollte ihm unbedingt eine Periodentafel schenken.

Daher blieb ich die ganze Nacht auf, und redete mit meinem Mann,

"Wie gebe ich Präsident Obama eine Periodentafel?

Was, wenn er sagt, 'Ah, ich habe schon eine', oder

'Die kenne ich schon auswendig'?"

Er kam also in mein Labor,

sah sich um – es war ein großartiger Besuch.

Danach sagte ich dann,

"Sir, ich möchte Ihnen eine Periodentafel schenken,

falls Sie jemals ein Molekülgewicht berechnen müssen."

Und ich dachte, Molekülgewicht klänge weniger streberhaft

als Molekülmasse.

Er sah es sich also an

und sagte:

"Danke, ich werde es mir periodisch ansehen."

(Lachen)

(Applaus)

Und später bei einem Vortrag, den er zu sauberer Energie hielt,

nahm der die Tafel hervor und sagte:

"Von den Leuten am MIT bekommt man Periodentafeln."

Also, was ich Ihnen nicht erzählt habe,

ist dass vor etwa 500 Millionen Jahren, Organismen begannen Stoffe herzustellen,

aber es dauerte fast 50 Millionen Jahre, bis sie gut darin waren.

Sie brauchten fast 50 Millionen Jahre,

um zu lernen wie man den Bau einer Abalone-Muschel perfektioniert.

Das ist Studenten im Aufbaustudium schwer zu verkaufen.

"Ich habe diese tolle Projekt – 50 Millionen Jahre."

Wir mussten daher einen Weg finden,

für unseren Versuch, dies schneller zu tun.

Wir nehmen also ein Virus, das ungiftig ist,

M13 Bakteriophagus heißt,

und Bakterien befällt.

Es hat eine einfache DNS-Struktur

die man teilen kann, um

zusätzliche DNS-Sequenzen einzufügen.

Und dadurch wird es dem Virus möglich,

beliebige Proteinstrukturen hervor zu bringen.

Das ist ziemlich einfache Biotechnologie.

Man könnte das im Grunde eine Million Mal machen.

Man kann also eine Milliarde verschiedene Viren erhalten,

die genetisch alle identisch sind,

aber verschieden hinsichtlich der Spitzen

einer Sequenz

die ein Protein kodiert.

Wenn man nun die Milliarde Viren nimmt –

und sie passen alle in einen Tropfen Flüssigkeit –

kann man sie zwingen, mit irgendwas im Periodensystem zu interagieren.

Und durch eine Abfolge von Auswahl-Evolution,

kann man eines aus einer Milliarde fischen, das tut was man will,

wie zum Beispiel eine Batterie oder eine Solarzelle wachsen lassen.

Grundsätzlich können Viren sich nicht selbst vermehren, sie brauchen einen Wirt.

Sobald man das eine in der Milliarde gefunden hat,

infiziert man ein Bakterium,

und erhält Millionen und Milliarden Kopien

dieser speziellen Sequenz.

Was daher noch schön ist an der Biologie,

ist dass Biologie wirklich für vorzügliche Strukturen sorgt

mit schönen Größenordnungen der Verknüpfungen.

Und diese Viren sind lang und dünn,

und wir können ihnen beibringen, die Fähigkeit zu zeigen,

etwas wie Halbleiter wachsen zu lassen,

oder Stoffe für Batterien.

Nun, dies ist eine leistungsstarke Batterie, die wir in unserem Labor haben wachsen lassen.

Wir haben einen Virus so manipuliert, dass er Kohlenstoff-Nanoröhren aufnimmt.

Der eine Teil des Virus nimmt also Kohlenstoff-Nanoröhren auf,

der andere Teil des Virus hat eine Sequenz,

die ein Elektrodenmaterial für eine Batterie wachsen lassen kann.

Und dann verbindet es sich mit dem Spannungskollektor.

Und so kamen über einen Prozess selektiver Evolution

von einem Virus, das eine lausige Batterie machte,

zu einem Virus, das eine gute Batterie machte,

zu einem Virus, das eine Rekord brechende, leistungsstarke Batterie machte,

und das alles bei Raumtemperatur, im Grunde auf der Werkbank.

Und diese Batterie ging ans Weiße Haus anlässlich einer Pressekonferenz.

Ich hab sie mitgebracht.

Sie können sie hier in diesem Gehäuse sehen – sie treibt diese LED.

Wenn wir das nun skalieren könnten,

könnte man es tatsächlich benutzen,

um einen Prius anzutreiben,

was mein Traum ist – in der Lage zu sein, ein virusgetriebenes Auto zu fahren.

Aber im Grunde –

man nimmt einen aus einer Milliarde.

Man kann es auf vielerlei Weise verstärken.

Normalerweise macht man die Verstärkung im Labor,

und dann bringt man es dazu, sich selbst

in die Struktur einer Batterie zusammenzufügen.

Wir können das auch katalysieren.

Hier ist ein Beispiel

von photokatalytischer Wassertrennung.

Und wir haben es geschafft,

das Virus dazu zu bringen, im Grunde farbabsorbierende Moleküle

zu nehmen, und diese auf der Oberfläche des Virus aufzureihen,

damit es als Antenne fungiert,

und man einen Energietransfer durch das Virus bekommt.

Dann bringen wir ein zweites Gen ein,

um ein anorganisches Material zu erzeugen,

dass für die Spaltung des Wassers in Sauerstoff

und Wasserstoff benutzt werden kann,

der für saubere Treibstoffe verwendet werden kann.

Davon habe ich heute ein Exemplar dabei.

Meine Studenten haben mir versprochen, dass es funktioniert.

Das sind Nanokabel, die von Viren verlegt wurden.

Wenn man sie Licht aussetzt, kann man Blasen sehen.

In diesem Fall sieht man Sauerstoffblasen heraus kommen.

Im Prinzip kann man durch Steuerung der Gene

verschiedene Materialien steuern, um die Geräteleistung zu verbessern.

Das letzte Beispiel sind Solarzellen.

Man kann dies auch mit Solarzellen machen.

Wir konnten Viren dazu bringen,

Nanoröhren aufzunehmen

und auf ihnen Titaniumdioxid anzulagern –

damit Elektronen durch das Gerät hindurch können.

Wir haben herausgefunden – mittels Gentechnik –

dass wir tatsächlich die Effizienz

dieser Solarzellen auf Rekordzahlen

erhöhen können,

bei dieser Art farbsensitivierter Systeme.

Und davon habe ich auch eins mitgebracht,

mit dem Sie später draußen herumspielen können.

Dies ist also eine Solarzelle auf Basis eines Virus.

Mittels Evolution und Selektion

haben wir aus einer Solarzelle mit acht Prozent Wirkungsgrad

eine Solarzelle mit elf Prozent Wirkungsgrad gemacht.

Ich hoffe, ich konnte Sie überzeugen,

dass es eine Menge großartiger, interessanter Dinge zu lernen gibt,

darüber wie die Natur Stoffe bildet –

und wie man das auf die nächste Stufe hebt,

um zu sehen, ob man die Art der natürlichen Stofferzeugung

forcieren kann, oder sie dazu nutzen,

Dinge herzustellen, deren Herstellung die Natur sich bislang nicht hat träumen lassen.

Ich danke Ihnen.