Angela Belcher : Utiliser la nature pour faire pousser des batteries

Inspirée par une coquille d'ormeau, Angela Belcher programme des virus pour créer d'élégantes structures nanométriques que les humains peuvent utiliser. En sélectionnant des gènes à haut rendement grâce à l'évolution dirigée, elle a produit des virus qui peuvent construire de nouvelles batteries puissantes, des carburants propres à base d'hydrogène et des batteries solaires qui battent les records. A TEDxCaltech, elle nous montre comment c'est fait.

J'ai pensé vous parler un peu de la façon dont la nature crée des matériaux.

J'ai apporté avec moi une coquille d'ormeau.

Cette coquille d'ormeau est un matériau biocomposite

c'est 98 % en masse de carbonate de calcium

et 2% en masse de protéines.

Pourtant, elle est 3 000 fois plus résistante

que son homologue géologique.

Et beaucoup de gens peuvent utiliser des structures comme les coquilles d'ormeau,

comme de la craie.

Je suis fascinée par la façon dont la nature crée des matériaux,

et il y a beaucoup de séquence

dans la façon dont ils font un travail délicat.

C'est en partie parce que ces matériaux

ont des structures macroscopiques,

mais ils sont formés à l'échelle nanométrique.

Ils sont formés à l'échelle nanométrique,

et ils utilisent des protéines qui sont codées au niveau génétique

qui leur permettent de construire ces structures vraiment délicates.

Donc, je pense que c'est vraiment fascinant

de se demander si on pourrait donner vie

à des structures inertes,

comme les piles et comme les cellules photovoltaïques.

Et si elles avaient quelques-unes des capacités

d'une coquille d'ormeau,

en termes de capacité

à construire des structures vraiment délicates

à température et pression ambiantes,

en utilisant des produits chimiques non-toxiques

et en ne rejetant aucune matière toxique dans l'environnement?

Voilà donc la vision à laquelle j'ai réfléchi.

Et donc si on pouvait faire pousser une batterie dans une boîte de Petri?

Ou, si on pouvait donner des informations génétiques à une batterie

afin qu'elle puisse effectivement devenir meilleure

en fonction du temps,

et le faire d'une manière respectueuse de l'environnement?

Et donc, pour revenir à cette coquille d'ormeau,

en plus d'être nano-structurée,

une chose fascinante,

c'est quand un mâle et une femelle ormeau se réunissent,

ils transmettent les informations génétiques

qui disent: "Voilà comment construire un matériau délicat.

Voici comment le faire à température et pression ambiantes,

en utilisant des matériaux non-toxiques. "

Même avec des diatomées, qu'on voit ici, qui sont des structures de verre.

Chaque fois que les diatomées se répliquent,

elles donnent des informations génétiques qui disent:

"Voici comment construire du verre dans l'océan

qui soit parfaitement nano-structuré.

Et vous pouvez le refaire, encore et encore. "

Alors, si l'on pouvait faire la même chose

avec une cellule phovoltaïque ou une batterie?

Je tiens à dire mon biomatériau préféré est mon enfant de quatre ans.

Mais quiconque a déjà eu, ou connait, de jeunes enfants

sait qu'ils sont des organismes incroyablement complexes.

Et si vous voulez les convaincre

de faire quelque chose qu'ils ne veulent pas faire, c'est très difficile.

Donc, quand on pense aux technologies de l'avenir,

nous pensons en fait à utiliser des bactéries et des virus,

des organismes simples.

Peut-on les convaincre de travailler avec une nouvelle boîte à outils,

afin qu'ils puissent construire une structure

qui sera importante pour moi?

En outre, nous réfléchissons aux technologies de l'avenir.

Nous commençons par l'origine de la Terre.

En gros, il a fallu un milliard d'années

pour qu'il y ait de la vie sur Terre.

Et très rapidement, les êtres vivants sont devenus multi-cellulaires,

ils ont pu se répliquer, utiliser la photosynthèse

comme un moyen de récupérer leur source d'énergie.

Mais il y a seulement environ 500 millions d'années -

au cours de la période cambrienne -

que les organismes dans l'océan ont commencé à créer des matériaux durs.

Avant cela, c'étaient des structures toutes molles, moelleuses.

Et c'est pendant cette période

qu'il y a eu plus de calcium et de fer

et de silicium dans l'environnement.

Et les organismes ont appris à faire des matériaux durs.

Et c'est ce que je voudrais être en mesure de le faire -

convaincre la biologie

de travailler avec le reste du tableau périodique.

Maintenant, si vous regardez la biologie,

il y a de nombreuses structures comme l'ADN et les anticorps

et les protéines et les ribosomes dont vous avez entendu parler

qui sont déjà nano-structurés.

Donc la nature nous donne déjà

des structures vraiment délicates à l'échelle nanométrique.

Et si nous pouvions les mettre à profit

et les convaincre de ne pas être un anticorps

qui fasse quelque chose comme le VIH?

Mais si on pouvait les convaincre

de construire une cellule photovoltaïque pour nous?

Alors voici quelques exemples: ce sont quelques coquilles naturelles.

Il existe des matériaux naturels biologiques.

La coquille d'ormeau ici - et si vous la fracturez,

vous pouvez voir le fait que c'est nano-structuré.

Il y a des diatomées fabriquées à partir de SiO2,

et ce sont des bactéries magnétotactiques

qui font de petits aimants à domaine unique utilisés pour la navigation.

Ce qu'ils ont tous en commun

c'est que ces matériaux sont structurés à l'échelle nanométrique,

et qu'ils ont une séquence d'ADN

qui code une séquence protéique,

qui leur donne le plan

pour qu'ils puissent construire ces structures vraiment merveilleuses.

Maintenant, pour revenir à la coquille d'ormeau,

l'ormeau fait cette coquille grâce à ces protéines.

Ces protéines sont très chargées négativement.

Et elles peuvent tirer du calcium de l'environnement,

appliquer une couche de calcium, puis du carbonate, du calcium et du carbonate.

Il a les séquences chimiques des acides aminés

qui disent: "C'est comme ça qu'on construit la structure.

Voici la séquence d'ADN, voici la séquence de la protéine

pour le faire. "

Et donc une idée intéressante est, si vous pouviez prendre n'importe quel matériau,

ou tout autre élément du tableau périodique,

et trouver sa séquence d'ADN correspondante,

et puis le coder en une séquence de protéine correspondante

pour construire une structure, mais pas une coquille d'ormeau -

construire quelque chose avec quoi, parmi toute la nature,

il n'a jamais encore eu l'occasion de travailler .

Et voici donc le tableau périodique.

Et j'adore vraiment le tableau périodique.

Chaque année pour la classe de première année entrant au MIT,

je fais un tableau périodique qui dit:

"Bienvenue au MIT. Maintenant vous êtes dans votre élément."

Et vous le retournez, et c'est les acides aminés

avec le PH auquel ils ont des charges différentes.

Et donc je le donne à des milliers de personnes.

Et je sais qu'il y a écrit MIT, et ici c'est Caltech,

mais j'en ai quelques-uns en plus si quelqu'un en veut.

Et j'ai vraiment eu de la chance

que le président Obama visite mon laboratoire cette année

lors de sa visite au MIT,

et je voulais vraiment lui donner un tableau périodique.

J'ai donc veillé tard, et j'ai parlé à mon mari,

"Comment puis-je donner au président Obama un tableau périodique?

Que faire s'il dit, 'Oh, j'en ai déjà un, '

ou, 'je l'ai déjà mémorisé ?"

Et il est venu visiter mon laboratoire

et il a regardé autour de lui - ce fut une excellente visite.

Et puis après, j'ai dit,

"Monsieur, je veux vous donner le tableau périodique

pour le jour où vous seriez dans une impasse et devriez calculer un poids moléculaire. "

Et j'ai pensé que poids moléculaire sonnait beaucoup moins ringard

que masse molaire.

Et il l'a regardé,

Et il a dit:

"Je vous remercie. Je vais le regarder périodiquement."

(Rires)

(Applaudissements)

Et plus tard dans une conférence qu'il a donnée sur l'énergie propre,

il l'a sorti et a dit:

"Et les gens au MIT, ils donnent des tableaux périodiques".

Donc, en gros, ce que je ne vous ai pas dit

c'est qu'il y a près de 500 millions d'années, les organismes ont commencé à fabriquer des matériaux,

mais il leur a fallu environ 50 millions d'années pour devenir bons.

Il leur a fallu environ 50 millions d'années

pour apprendre à parfaire la manière de faire cette coquille d'ormeau.

Et c'est difficile à vendre à un étudiant diplômé.

"J'ai ce grand projet -. 50 millions d'années"

Et nous avons donc dû développer une façon

d'essayer de le faire plus rapidement.

Et donc nous utilisons un virus qui est un virus non-toxique

appelé bactériophage M13

dont c'est le travail d'infecter les bactéries.

Eh bien, il a une structure ADN simple

que vous pouvez couper et y coller

des séquences d'ADN supplémentaires.

Et ce faisant, il permet au virus

d'exprimer des séquences de protéines aléatoires.

Et cela est de la biotechnologie assez facile .

Et vous pourriez le faire en gros un milliard de fois.

Et donc vous pouvez obtenir un milliard de virus différents

qui sont tous génétiquement identiques,

mais ils diffèrent les uns des autres en fonction de leurs terminaisons,

sur une séquence

qui code une protéine.

Maintenant si vous prenez tous les milliards de virus,

et vous pouvez les mettre dans une goutte de liquide,

vous pouvez les forcer à interagir avec tout ce que vous voulez sur le tableau périodique.

Et à travers un processus d'évolution de sélection,

vous pouvez en tirer un sur un milliard qui fait quelque chose que vous aimeriez qu'il fasse,

comme de cultiver une batterie ou développer une cellule photovoltaïque.

Donc, en gros, les virus ne peuvent pas se reproduire, ils ont besoin d'un hôte.

Une fois que vous trouvez celui sur un milliard,

vous en infectez une bactérie,

et vous faites des millions et des milliards de copies

de cette séquence particulière.

Et ce qu'il y a aussi de beau dans la biologie

c'est que la biologie vous donne des structures vraiment délicates

avec de belles échelles de connexion.

Et ces virus sont longs et maigres,

et nous pouvons les amener à exprimer la capacité

à développer quelque chose comme les semi-conducteurs

ou des matériaux pour les batteries.

Maintenant, voici d'une batterie haute puissance que nous avons développée dans mon laboratoire.

Nous avons conçu un virus pour ramasser des nanotubes de carbone.

Donc, une partie du virus attrape un nanotube de carbone.

L'autre partie du virus a une séquence

qui peut développer un matériau d'électrode pour une batterie.

Et puis il se connecte lui-même au courant collecteur.

Et donc à travers un processus d'évolution de sélection,

nous sommes passés d'un virus qui créait une batterie minable

à un virus qui fait une bonne batterie

à un virus qui a fait une batterie de forte puissance qui bat des records

le tout, fait à température ambiante, essentiellement sur la paillasse.

Et cette batterie est allée à la Maison Blanche pour une conférence de presse.

Je l'ai amenée ici.

Vous pouvez le voir dans cette boite - elle éclaire ce LED.

Maintenant, si nous pouvions en augmenter l'échelle,

vous pourriez effectivement l'utiliser

pour faire fonctionner votre Prius,

ce qui est mon rêve - pouvoir conduire une voiture à propulsion virus.

Mais il s'agit essentiellement -

vous pouvez tirer un sur un milliard.

Vous pouvez l'amplifier beaucoup

En gros, vous faites une amplification dans le laboratoire.

Et puis, vous le faites s'auto-assembler

en une structure semblable à une batterie.

Nous sommes en mesure de le faire aussi par catalyse.

C'est l'exemple

du fractionnement photocatalytique de l'eau.

Et ce que nous avons pu faire

c'est concevoir un virus pour qu'il prenne des molécules qui absorbent les colorants

et les aligne sur la surface du virus

pour qu'il agisse comme une antenne,

et vous obtenez un transfert d'énergie à travers le virus.

Et puis on lui donne un second gène

pour développer un matériau inorganique

qui puisse être utilisé pour décomposer l'eau

en oxygène et en hydrogène,

qui puisse être utilisé pour des carburants propres.

Et j'en ai apporté avec moi un exemple aujourd'hui.

Mes étudiants m'ont promis que ça marcherait.

Ce sont des nanofils assemblés par des virus.

Lorsque vous les mettez sous la lumière, vous les voyez faire des bulles.

Dans le cas présent, vous voyez des bulles d'oxygène sortir..

Et dans le fond en contrôlant les gènes,

vous pouvez contrôler des matériaux multiples pour améliorer les performances de votre appareil.

Le dernier exemple sont des cellules photovoltaïques.

Vous pouvez aussi le faire avec des cellules photovoltaïques.

Nous avons été en mesure de concevoir des virus

pour ramasser des nanotubes de carbone

et ensuite générer du dioxyde de titane autour -

et les utiliser pour obtenir des électrons à travers le dispositif.

Et ce que nous avons constaté c'est que, grâce au génie génétique,

on peut vraiment augmenter

l'efficacité de ces cellules photovoltaïques

pour enregistrer les chiffres

pour ces types de systèmes sensibles aux colorants.

Et j'en ai apporté un aussi

pour que vous puissiez jouer avec à l'extérieur par la suite.

Il s'agit donc d'une cellule photovoltaïque à base de virus.

Grâce à l'évolution et la sélection,

nous l'avons fait passer d'une cellule solaire à 8 % d'efficacité

à une cellule à 11 % d'efficacité.

J'espère donc que je vous ai convaincus

qu'il y a beaucoup de grandes choses intéressantes à apprendre

sur comment la nature crée les matériaux -

et en l'amenant à l'étape suivante

pour voir si on peut forcer,

ou si on peut profiter de la manière dont la nature crée les matériaux,

pour créer des choses que la nature n'a pas encore rêvé de créer.

Merci.