Angela Belcher. Sobre el uso de la naturaleza para crear baterías.

Inspirada por una concha de abulón, Angela Belcher programa virus para crear elegantes estructuras a escala nanométrica que los humanos pueden usar. Seleccionando los genes de alto desempeño en una evolución dirigida, ella ha producido virus que pueden construir nuevas y poderosas baterías, combustibles de hidrógeno limpios y celdas solares mejores que cualquiera. En TEDxCaltech nos muestra cómo se hace.

Voy a platicar un poco acerca del modo en que la naturaleza crea materiales.

Traje una concha de abulón.

Esta concha de abulón es un material bio-compuesto

y el 98% de su masa es carbonato de calcio,

el otro 2% es proteína.

Con todo ello, es 3,000 veces más duro

que su contraparte geológica.

Y mucha gente podría usar estructuras como las conchas de abulón.

como tiza.

Estoy fascinada por la manera en la que la naturaleza hace materiales

y hay mucha secuencia

en cómo hacen un trabajo tan exquisito.

Parte de ello es que estos materiales

son macroscópicos en su estructura.

pero se forman en una nano-escala

Se construyen a nano-escala,

y usan proteínas que están codificadas a nivel genético.

que les permiten construir estas exquisitas estructuras.

Hay algo que encuentro verdaderamente fascinante

y es: ¿Qué pasaría si pudieras dar vida

a estructuras no vivas,

como baterías y celdas solares?

¿Qué tal si tuvieran algunas de las mismas capacidades

que la concha de abulón?

Es decir ¿Podrían ser capaces

de construir estructuras exquisitas

a presión y temperatura ambiente,

usando materiales no tóxicos

y sin emitir compuestos tóxicos al medio ambiente?

Esa es la visión que tengo en mente.

¿Qué tal si pudiéramos hacer crecer una batería en una caja de petri?

O, ¿Qué tal si pudiéramos darle información genética a una batería

que pudiera mejorar su desempeño

como función del tiempo,

y de forma ambientalmente amigable?

Volvamos a la concha de abulón,

además de tener una nano-estructura

otra cosa que es fascinante,

es que cuando el abulón macho y la hembra se juntan,

pasan su información genética

que dice: "Esta es la manera de hacer un material exquisito.

Aquí dice como hacerlo a temperatura y presión ambientales,

usando materiales no tóxicos."

Igual con las diatomeas, que se muestran aquí y que tienen estructuras vidriadas.

Cada vez que la diatomea se replica,

lleva consigo la información genética que dice,

"He aquí cómo construir vidrio en el océano

que es una perfecta nano-estructura.

Y puedes hacer lo mismo una y otra vez."

¿Qué tal si pudiéramos hacer lo mismo

con una celda solar o una batería?

Me gusta decir que mi biomaterial favorito es mi hijo de cuatro años.

Pero cualquiera que haya tenido o conozca a niños pequeños

sabe que son organismos increíblemente complejos.

Y que si quieres convencerlos

de hacer algo que no quieren, es súper difícil.

Así que cuando pensamos acerca de futuras tecnologías,

pensamos en usar bacterias y virus,

organismos simples.

¿Pueden ustedes convencerlos que trabajen con nuevas herramientas,

de manera que puedan construir una estructura

que sea importante para mí?

También pensamos acerca de tecnologías del futuro.

Comencemos con el inicio de la Tierra.

Básicamente le tomó un millardo de años

generar vida en el planeta.

Y de manera muy rápida se convirtió en multicelular,

que podía replicarse y podía usar fotosíntesis

para conseguir su propia energía.

Pero no fue sino hasta hace 500 millones de años

durante la era geológica del Cámbrico

que los organismos del océano empezaron a hacer materiales duros.

Antes de eso todo era suave, estructuras esponjosas.

Y fue durante ese tiempo

que hubo un incremento de calcio, hierro

y silicio en el ambiente.

Y los organismos aprendieron cómo hacer materiales duros.

Así que eso es lo que me gustaría hacer,

convencer a los seres vivos

para que trabajen con el resto de la tabla periódica.

Ahora que miremos a la vida,

hay muchas estructuras como el DNA y los anticuerpos

y proteínas y ribosomas de los que ustedes han oído hablar

ellos son de hecho nano-estructuras.

La naturaleza nos da de manera natural

estructuras exquisitas a nivel de nano-escala.

¿Qué tal si pudiéramos domesticarlas

y convencerlas de no ser un anticuerpo

que hace algo como el HIV?

¿Pero qué tal su pudiéramos convencerlas

de construir una celda solar para nosotros?

Aquí hay algunos ejemplos: Estas son algunas conchas naturales.

Estos son materiales biológicos naturales.

La concha de abulón aquí, y si acaso la rompes,

puedes ver el hecho de que es una nano-estructura.

Estas son diatomeas, hechas de SIO2,

y estas son bacterias magneto-tácticas

que hacen pequeños imanes permanentes usados para navegación.

Lo que todas ellas tienen en común

es que estos materiales tienen estructuras a nivel de nano-escala,

y que tienen una secuencia de ADN

que codifica una secuencia proteica,

así que eso les da el bosquejo

para que puedan construir estas maravillosas estructuras.

Ahora, volviendo a la concha de abulón,

el abulón hace esta concha teniendo consigo estas proteínas.

Estas proteínas tienen cargas muy negativas.

Y podrían sacar calcio del medio ambiente,

poner una capa de calcio y después carbonato, calcio y carbonato.

Tiene la secuencia química de amino-ácidos

que dice, "Así es como se arma la estructura.

Aquí viene la secuencia de DNA, aquí la secuencia de proteínas

para armar todo."

De aquí surge la idea: ¿Qué tal si pudieras tomar el material que quisieras,

o cualquier elemento de la tabla periódica,

y encontrar la secuencia de DNA que le corresponde,

y despues codificar su secuencia proteica

para armar la estructura, pero no construir una concha de abulón --

sino construir algo en lo que la naturaleza

nunca podido trabajar antes.

Aquí esta la tabla periódica.

Yo amo la tabla periódica.

Cada año doy una clase a los recién llegados al MIT,

Y les regalo una tabla periódica que dice,

"Bienvenidos al MIT. Ahora están en su elemento."

Si le dan la vuelta, encontrarán los amino-ácidos

con el pH en el que presentan diferentes cargas.

Le regalo esta tabla a miles de personas.

Ya sé que dice MIT y estamos en Caltech,

pero tengo unas que me sobran si acaso las quieren.

Y fui realmente afortunada

de recibir al Presidente Obama en mi laboratorio este año

en su visita al MIT,

y de verdad que tenía ganas de regalarle una tabla periódica.

Así que en una noche de insomnio le dije a mi esposo,

"¿Cómo le podría dar una tabla periódica al Presidente Obama?"

Que tal si me contesta, '¡Ah! Ya tengo una,'

o, 'Ya me la sé de memoria'?"

Y finalmente llegó a mi laboratorio

y miró alrededor -fue una gran visita.

Y después le dije

"Señor, quisiera darle una tabla periódica

en caso de que algún día este en problemas y necesite calcular un peso molecular."

Pensé que peso molecular sonaba mucho menos extraño

que masa molecular.

Así que la vio,

y dijo,

"Gracias. La voy a ver periódicamente."

(Risas)

(Aplausos)

Y después en una presentación que él dio sobre energía limpia,

sacó su tabla y dijo,

"Y hay gente en el MIT que regala tablas periódicas."

Así que básicamente, lo que no les he dicho

es que hace 500 millones de años, los organismos empezaron a fabricar materiales,

pero les tomó 50 millones de años ser buenos en eso.

Les tomó 50 millones de años

aprender como perfeccionar el proceso de fabricación de la concha de abulón.

Y eso es algo difícil de venderle a un estudiante de posgrado.

"Tengo este gran proyecto -50 millones de años."

Así que tuvimos que desarrollar un método

para tratar de hacer esto más rápido.

Utilizamos un virus, un virus no tóxico,

llamado bacteriófago M13

cuyo trabajo es infectar una bacteria.

Su DNA tiene una estructura simple

y le puedes simplemente cortar y pegar

secuencias adicionales de DNA.

Y al hacer esto, permites que el virus

exprese secuencias aleatorias de proteínas.

Y esta es una biotecnología sencilla.

Y es posible hacer esto mil millones de veces.

Y puedes ir y tener mil millones de virus diferentes

que sean genéticamente idénticos,

pero que sean diferentes unos de otros por sus terminaciones

en una secuencia

que codifica una proteína.

Ahora, si tomamos mil millones de virus,

y los ponemos en una gota de líquido,

podemos forzarlos a interactuar con cualquier cosa en la tabla periódica.

Y a través del proceso de selección-evolución,

podemos obtener uno en mil millones que haga algo que nos gustaría que hiciera,

como fabricar una batería o una celda solar.

Para que los virus puedan replicarse necesitan un huésped.

Una vez que encontramos ese uno en mil millones,

infectamos una bacteria,

y hacemos miles de millones de copias

de esa secuencia en particular.

La otra cosa maravillosa de la biología

es que la biología nos da exquisitas estructuras

con verdadera armonía.

Estos virus son largos y delgados,

y podemos hacer que expresen la habilidad

de fabricar algo como semiconductores

o materiales para baterías.

Esta es una batería de alta potencia que fabricamos en mi laboratorio.

Fabricamos un virus que utilizaba nanotubos de carbón.

Una parte del virus agarraba un nanotubo de carbón.

La otra parte del virus tiene una secuencia

que puede generar material para el electrodo de una batería.

Y después se conecta a sí mismo con el colector de corriente.

Y a través del proceso de selección-evolución,

vamos desde un virus que fabrica una batería sencilla

hasta un virus que hace una buena batería

y hasta un virus que hace una batería de alta potencia capaz de romper records

hecha totalmente a temperatura ambiente, básicamente en la mesa del laboratorio.

Y esa batería viajó hasta la Casa Blanca para una conferencia de prensa.

La traje conmigo.

Pueden ver en este caso, que mantiene esta lámpara encendida.

Si pudiéramos escalar esto,

podríamos usarlo

para hacer rodar a su auto,

ese es mi sueño, poder manejar un auto alimentado por virus.

El proceso es básicamente --

que puedas sacar uno de mil millones.

Poder hacer muchas copias del mismo.

Básicamente podríamos hacer una amplificación en el laboratorio.

Y después hacer que se auto-ensamble

para dar la estructura de una batería.

Podemos hacer esto con catalizadores.

En este ejemplo

de un separador catalítico de agua.

Y eso es lo que hemos podido hacer

modificar el virus para que absorba moléculas de tinta

y ponerlas alineadas en la superficie del virus

así que actúa como antena.

y obtenemos una transferencia de energía a través del virus.

Y entonces le damos un segundo gen

para utilizar un material inorgánico

que pueda usarse para separar agua

en hidrógeno y oxígeno,

que puede usarse como combustible limpio.

Hoy traje conmigo este ejemplo.

Mis alumnos me prometieron que funcionaría.

Estos son nano-cables ensamblados por virus.

Cuando les echamos la luz, pueden ver que hay un burbujeo.

En este caso, están observando burbujas de oxígeno salir.

Fundamentalmente, mediante el control de los genes,

podemos controlar múltiples materiales y mejorar el desempeño de sus equipos.

El último ejemplo son las celdas solares.

Podemos hacer esto con celdas solares.

Hemos diseñado virus

que pueden tomar nanotubos de carbono

y depositar una capa de dióxido de titanio a su alrededor --

y usarlos para atrapar a los electrones en el aparato.

Lo que encontramos es que a través de la ingeniería genética,

podemos, de hecho, aumentar

la eficiencia de estas celdas solares

hasta números récord

para estos tipos de sistemas de celdas (Grätzel).

Traje conmigo también uno de estos

con el que pueden jugar una vez que termine la sesión.

Esta es una celda solar generada por virus.

A través de la evolución y la selección,

llevamos la celda desde una eficiencia del 8%

hasta una eficiencia de 11%

Espero haberles convencido

de que hay miles de cosas interesantes por aprender

acerca de cómo la naturaleza fabrica materiales --

y llevarlo un paso más adelante

para aprender cómo manejar,

o cómo aprovechar la manera en la que la naturaleza fabrica materiales.

para crear cosas que la naturaleza ni siquiera ha soñado.

Gracias.