Angela Belcher: annetaan luonnon kasvattaa akkuja

Punamerikorvan kuoren innoittamana Angela Belcher ohjelmoi viruksia tekemään taidokkaita nanomittakaavan rakenteita, joita ihmiset voivat käyttää. Valiten parhaiten suoriutuvat geenit ohjattavan evoluution avulla, hän tuottaa viruksia, jotka voivat rakentaa tehokkaita akkuja, puhtaita vetypolttoaineita ja ennätyksiä rikkovia aurinkokennoja. TEDxCaltechissa hän näyttää, miten se tehdään.

Ajattelin puhua siitä, miten luonto tekee materiaaleja.

Toin mukanani punamerikorvan kuoren.

Se on biokomposiittimateriaali,

joka on 98 prosenttia massaltaan kalsiumkarbonaattia

ja kaksi prosenttia proteiinia.

Silti se on 3000 kertaa sitkeämpi

kuin sen geologinen vastine.

Monet ihmiset saattavat käyttää vastaavia rakenteita,

kuten kalkkikiveä.

Minua kiehtoo luonnon tapa

tehdä niin erinomaisia materiaaleja,

ja siihen liittyvät salaisuudet.

Osa sitä on, että nämä materiaalit

ovat rakenteeltaan makroskooppisia,

mutta ne ovat

muodostuneet nanomittakaavassa,

ja ne käyttävät proteiineja, jotka on koodattu geneettisesti,

mikä mahdollistaa näiden erinomaisten rakenteiden rakentamisen.

Joten mielestäni olisi kiehtovaa,

jos voitaisiin puhaltaa elämää

elottomiin rakenteisiin,

kuten akkuihin tai aurinkokennoihin.

Mitä jos niillä olisi joitain samoja

ominaisuuksia kuin punamerikorvan kuorella,

pystyen niiden puitteissa

rakentamaan erinomaisia rakenteita

huoneen lämpötilassa ja paineessa,

käyttäen myrkyttömiä kemikaaleja

ja päästämättä myrkyllisiä materiaaleja takaisin ympäristöön?

Sitä visiota olen pohtinut.

Mitä jos voisi kasvattaa akun?

Mitä jos akulle voisi antaa geneettistä informaatiota

siten, että siitä tulisi parempi

ajan mittaan,

ja se kävisi ympäristöystävällisesti?

Palatakseni punamerikorvan kuoreen,

sen lisäksi, että se on nanorakenteinen,

on kiehtovaa,

että uros- ja naaraspunamerikorvan kohdatessa,

ne välittävät eteenpäin geneettistä tietoa,

joka sanoo: "Näin rakennat erinomaisen materiaalin."

"Näin teet sen huoneen lämpötilassa ja paineessa"

"käyttäen myrkyttömiä materiaaleja."

Samoin piilevät, jotka näkyvät tässä, ja jotka ovat lasisia rakenteita.

Aina kun piilevä monistaa itsensä,

se antaa geneettistä informaatiota:

"Näin rakennat meressä lasia,"

"joka on täydellinen nanorakenne."

"Ja voit tehdä saman uudelleen ja uudelleen."

Mitä jos saman voisi tehdä

aurinkokennolle tai akulle?

Kerron mielelläni, että biomateriaaleista lempparini on neljävuotias lapseni.

Mutta kaikki, joilla on joskus ollut tai tuntee pieniä lapsia,

tietää miten monimutkaisia organismeja he ovat.

Jos haluaa saada heidät tekemään jotain,

mitä he eivät halua tehdä, se on hyvin vaikeaa.

Miettiessämme tulevaisuuden teknologioita,

aiomme käyttää bakteereja ja viruksia --

yksinkertaisia organismeja.

Voiko ne suostutella töihin meille,

rakentamaan rakenne,

joka on minulle tärkeä?

Mietimme myös tulevaisuuden teknologioita.

Aloitamme Maapallon alusta.

Kesti miljardi vuotta

saada elämää Maapallolle.

Hyvin nopeasti se muuttui monisoluiseksi,

se pystyi toisintamaan itseään ja pystyi

yhteyttämään tuottaakseen energiaa.

Mutta vasta 500 miljoonaa vuotta sitten --

kambrikaudella --

organismit meressä alkoivat tehdä kovia materiaaleja.

Sitä ennen rakenteet olivat pehmeitä.

Sinä aikana

kalsiumina, rautaa ja piitä

oli ympäristössä enemmän.

Ja organismit oppivat tekemään kovia materiaaleja.

Niin minäkin haluaisin tehdä --

vakuuttaa biologian

työskentelemään loppujenkin alkuaineiden kanssa.

Jos ajatellaan biologiaa,

on monia rakenteita kuten DNA ja vasta-aineita

ja proteiineja ja ribosomeja, joista olette kuulleet,

jotka ovat jo nanorakenteita.

Luonto siis antaa jo meille

todella verrattomia rakenteita nanomittakaavassa.

Mitä jos voisimme valjastaa ne

ja vakuuttaa ne olemasta vasta-aineita,

jotka tekevät sellaista kuin HIV?

Mitä jos voisimme vakuuttaa ne

rakentamaan meille aurinkokennon?

Nämä ovat luonnollisia kuoria --

biologisia materiaaleja.

Tämän punamerikorvan kuori -- jos sen halkaisee,

näkee, että se on itse asiassa nanorakenteinen.

Nämä piilevät ovat piidioksidia, ja

nuo ovat magneettikentille herkkiä bakteereja,

jotka vamistavat pieniä magneetteja navigoidakseen.

Näille kaikille yhteistä on se,

että niillä on rakenne nanomittakaavassa,

ja niillä on DNA-sekvenssi,

joka koodaa proteiinisekvenssin,

joka antaa niille ohjeet

näiden ihanien rakenteiden rakentamiseen.

Palatakseni punamerikorvan kuoreen,

punamerikorva tekee kuoren näillä proteiineilla.

Nämä proteiinit ovat negatiivisesti varautuneita.

Ne vetävät kalsiumia ympäristöstään,

tekevät kerroksen kalsiumia ja sitten karbonaattia, kalsiumia ja karbonaattia.

Sillä on kemiallinen aminohapposekvenssi,

joka sanoo: "Näin rakennat sen rakenteen."

"Tässä on DNA-sekvenssi, tässä proteiinisekvenssi"

"sen tekemiseen."

Jos voisi ottaa minkä tahansa haluamansa materiaalin

tai minkä tahansa alkuaineen jaksollisesta järjestelmästä

ja löytäisi vastaavan DNA-sekvenssin

ja koodaisi sen vastaavan proteiinisekvenssin

rakentamaan rakenteen, ei punamerikorvan kuorta --

vaan jotain, jota luonto

ei vielä ole saanut aikaan.

Tässä jaksollinen järjestelmä.

Rakastan jaksollista järjestelmää.

Joka vuosi annan uusille opiskelijoille MIT:ssä

jaksollisen järjestelmän, jossa lukee:

"Tervetuloa MIT:hin. Nyt olet elementissäsi."

Kääntöpuolella ovat aminohapot

pH-arvoineen, missä niillä on eri varaukset.

Joten annan tämän tuhansille ihmisille.

Vaikka tämä on Caltech eikä MIT,

minulla on muutama mukana, mikäli joku haluaa sellaisen.

Olin hyvin onnekas

saadessani vastaanottaa presidentti Obaman vierailun

labrassani tänä vuonna,

ja halusin antaa hänelle jaksollisen järjestelmän.

Joten valvoessani yöllä, kysyin mieheltäni:

"Miten annan presidentti Obamalle jaksollisen järjestelmän?"

"Mitä jos hän sanoo: 'Minulla on jo sellainen',"

"tai 'Muistan sen ulkoa'?"

Joten hän tuli labraani

ja katseli ympärilleen -- se oli hieno vierailu.

Sen jälkeen sanoin:

"Sir, haluan antaa teille jaksollisen järjestelmän"

"siltä varalta, että teidän tarvitsee laskea molekyylipaino."

Arvelin, että molekyylipaino kuulostaa vähemmän nörtiltä

kuin moolimassa.

Joten hän katsoi sitä

ja sanoi:

"Kiitos. Aion katsoa sitä jaksollisesti."

(Naurua)

(Aplodeja)

Myöhemmin pitäessään luentoa puhtaasta energiasta

hän otti sen esille ja sanoi:

"Ihmiset MIT:ssä antavat jaksollisia järjestelmiä."

En kertonut teille,

että 500 miljoonaa vuotta sitten, organismit alkoivat tehdä materiaaleja,

mutta niiltä meni 50 miljoonaa vuotta kehittyä hyviksi siinä.

Niiltä kesti 50 miljoonaa vuotta

kehittyä täydellisiksi punamerikorvan kuoren tekemisessä.

Sitä on hankala myydä tohtoriopiskelijalle.

"Minulla on tämä hieno projekti -- 50 miljoonaa vuotta."

Joten meidän piti keksiä tapa

tehdä se nopeammin.

Joten käytämme vaaratonta virusta

nimeltä M13 bakteerifaagi,

jonka tehtävä on infektoida bakteereja.

Sillä on yksinkertainen DNA-rakenne,

josta voi leikata ja johon voi liittää

DNA-sekvenssejä.

Sillä tavoin virus voi

ilmaista satunnaisia proteiinisekvenssejä.

Tämä on melko helppoa bioteknologiaa.

Tämän voi tehdä oleellisesti miljardi kertaa.

Joten voi saada miljardi eri virusta,

jotka ovat geneettisesti identtisiä,

mutta ne eroavat yhden sekvenssin

kärkien verran,

ja se koodaa yhden proteiinin.

Jos ottaa miljardi virusta

ja laittaa ne yhdeen nestepisaraan,

ne voi pakottaa vuorovaikuttamaan minkä tahansa alkuaineen kanssa.

Evoluution valitsemana

yksi noista miljardista tekee sen, mitä sen halutaan tekevän,

kuten kasvattavan akun tai aurinkokennon.

Virukset eivät voi monistaa itseään, ne tarvitsevat isännän.

Kun löytää sen yhden miljardista,

sillä infektoidaan bakteeri,

ja tehdään miljoonia ja miljardeja kopioita

siitä tietystä sekvenssistä.

Toinen asia, mikä on kaunista biologiassa,

on se, että biologia antaa hienoja rakenteita,

mukavissa mittakaavoissa.

Nämä virukset ovat pitkiä ja kapeita,

saamme ne ilmentämään kykyä

kasvattaa jotain, kuten puolijohteita

tai materiaaleja akkuihin.

Tämä on tehokas akku, jonka kasvatimme labrassani.

Teimme viruksen, joka poimii hiilinanoputkia.

Yksi osa viruksesta ottaa hiilinanoputken.

Toisessa osassa virusta on sekvenssi,

joka kasvattaa materiaalia elektrodiksi akulle.

Sitten se yhdistää itsensä virtakollektorille.

Valitsevan evoluution avulla

me edistyimme viruksesta, joka teki kehnon akun,

virukseen, joka teki hyvän akun,

virukseen, joka teki ennätykset rikkovan todella tehokkaan akun,

joka on tehty täysin huoneen lämpötilassa, periaatteessa työpöydällä.

Se akku meni Valkoiseen taloon lehdistökonferenssiin.

Toin sen tänne.

Näette sen tässä -- se antaa virtaa tälle ledille.

Jos voimme tehdä tätä isommassa mittakaavassa,

sitä voisi käyttää

[Toyota] Priuksessa --

unelmani on ajaa autoa virusvoimalla.

Mutta oleellisesti --

voi vetää ulos yhden miljardista.

Sitä voi vahvistaa.

Laboratoriossa sitä vahvistetaan.

Sitten se saadaan itsejärjestäytymään

rakenteeksi -- kuten akuksi.

Voimme tehdä tämän myös katalyysillä.

Tässä on esimerkki

fotokatalyyttisestä veden hajottamisesta.

Olemme onnistuneet

tekemään viruksen, ja ottaa väriaineita absorboivia molekyylejä,

jotka järjestäytyvät viruksen pinnalle

toimien antennina,

ja saadaan energian siirto viruksen läpi.

Sitten sille annetaan toinen geeni

rakentamaan epäorgaanista materiaalia,

jota voidaan käyttää veden hajottamiseen

hapeksi ja vedyksi,

joita voidaan käyttää puhtaina polttoaineina.

Toin mukanani esimerkin.

Opiskelijani lupasivat, että tämä toimisi.

Nämä ovat viruksen järjestämiä nanokaapeleita.

Kun sen valaisee, se kuplii.

Tässä tapauksessa näette happikuplien tulevan ulos.

Oleellisesti geenejä kontrolloiden

voi kontrolloida monia materiaaleja parantaakseen laitteiden suoritustasoa.

Viimeinen esimerkki ovat aurinkokennot.

Tämän voi tehdä myös aurinkokennoilla.

Olemme onnistuneet tekemään viruksia,

jotka ottavat hiilinanoputkia

ja kasvattavat titaanidioksidia niiden ympärille --

ja siten elektronit pääsevät laitteen läpi.

Löysimme, että geneettisellä muokkauksella

voimme itse asiassa lisätä

näiden aurinkokennojen tehokkuuksia

ennätyslukemiin

tämän tyyppisille väriainepohjaisille systeemeille.

Toin myös yhden noista,

ja voitte leikkiä sillä myöhemmin --

tämä on viruspohjainen aurinkokenno.

Evoluution ja valinnan kautta

saimme kahdeksan prosentin tehoisesta aurinkokennosta

11 prosentin tehoisen aurinkokennon.

Toivoakseni olen vakuuttanut teidät siitä,

että on paljon hienoja, mielenkiintoisia asioita opittavana

luonnon tavoista tehdä materiaaleja --

ja viedä sen seuraavalle tasolle

nähdäkseen voiko sitä pakottaa,

tai jotenkin hyödyntää luontoa

tekemään asioita, joista se ei vielä unelmoinut.

Kiitos.