Angela Belcher: gamtos naudojimas auginant baterijas

Įkvėpta jūrinės ausinukės kriauklės, Angela Belcher užprogramuoja virusus gaminti elegantiškas nanoskalės dydžio struktūras, kurias galėtų panaudoti žmonės. Nukreiptosios evoliucijos metodu atrinkusi aukštos kokybės genus, ji sukūrė virusus, kurie gali sukonstruoti galingas, naujas baterijas, švarų vandenilio kurą ir rekordus viršijančius Saulės elementus.

Pamaniau, jog truputį pakalbėsiu apie tai, kaip gamta kuria medžiagas.

Su savimi atsinešiau jūrinės ausinukės kriauklę.

Ši jūrinės ausinukės kriauklė yra sudaryta iš natūralių medžiagų,

98 masės % kalcio karbonato

ir 2 masės % baltymų.

Vis dėlto ji 3,000 kartų tvirtesnė,

nei jos geologinė kolega.

Ir daugelis žmonių gali naudoti tokias struktūras kaip jūrinės ausinukės kriauklės,

kaip kreida.

Aš buvau sužavėta to, kaip gamta kuria medžiagas

ir tame, kaip ji atlieka tokį rafinuotą darbą,

yra labai daug nuoseklumo.

Dalis to yra tai, kad šios medžiagos

turi makroskopinę struktūrą,

tačiau formuojamos nanoskalės lygyje.

Jos formuojamos nanoskalės lygyje

ir naudoja baltymus, kurie koduojami genetiniame lygmenyje,

leidžiančiame jiems kurti šias tikrai rafinuotas struktūras.

Taigi aš manau, kas galėtų būti labai žavinga

yra, jei mes galėtume duoti gyvybę

tokioms negyvoms struktūroms

kaip baterijos ir saulės elementai.

Kas jei jie turėtų kažkiek tokių pat sugebėjimų,

kokių turėjo jūrinės ausinukės kriauklė,

kalbant apie tokius sugebėjimus

kaip statyti tikrai rafinuotas struktūras

esant kambario temperatūrai, atmosferos slėgiui,

nenaudojant jokių toksiškų chemikalų

ir neteršiant gamtos jokiomis toksiškomis medžiagomis?

Taigi tokia yra vizija, apie kurią galvojau.

Ir kas jei galėtume išauginti bateriją Petri lėkštelėje?

Arba, kas jei galėtum perduoti baterijai genetinę informaciją,

kad ji taptų geresnė

laiko atžvilgiu,

ir tai padaryti ekologiniu būdu?

Grįžtant prie jūrinės ausinukės

be to, kad ji yra nano struktūros,

žavi tai,

kad kai jūrinių ausinukių patinas ir patelė susitinka,

jie perduoda genetinę informaciją,

kuri sako: "Taip reikia statyti rafinuotą medžiagą.

Taip reikia statyti ją esant kambario temperatūrai ir atmosferos slėgiui

nenaudojant toksinių medžiagų."

Taip pat yra ir su titnagdumbliais, kurie parodyti štai čia ir yra stiklinės struktūros.

Kiekvienąkart titnagdumbliams replikuojantis,

jie perduoda genetinę informaciją, kuri sako:

"Taip reikia vandenyne statyti stiklą,

kuris puikiausiai nano-struktūrizuotas.

Ir Jūs galite tai kartoti ir kartoti."

Taigi kas jei galėtume taip daryti

su saulės elementais ir baterijomis?

Man patinka sakyti, kad mano mylimiausia biomedžiaga yra mano keturmetis.

Tačiau bet kas turėjęs ar pažinojęs mažus vaikus

žino, kad jie neįtikėtinai sudėtingi organizmai.

Ir jei norėtum juos įtikinti

daryti tai, ko jie nenori, būtų labai sunku.

Taigi, kai mes mąstome apie ateities technologijas,

mes iš tiesų galvojame apie bakterijų ir virusų, paprastų organizmų

panaudojimą.

Ar jūs galite juos įtikinti dirbti su nauja įrankių dėže,

kad jie galėtų statyti

man svarbias struktūras?

Taip pat, mes galvojame apie ateities technologijas.

Mes pradedame nuo Žemės atsiradimo.

Iš esmės, kad Žemėje atsirastų gyvybė,

prireikė milijardo metų.

Ir labai greitai gyvybė tapo daugialąstelinė,

galėjo replikuotis, fotosintetinti

tam, kad gautų energijos.

Tačiau tik prieš 500 milijonų metų --

per Kambro geologinį periodą --

vandenyno organizmai pradėjo kurti kietas medžiagas.

Prieš tai jie visi buvo minkštos, purios struktūros.

Kambro periodo metu aplinkoje

padaugėjo ir kalcio, ir geležies,

ir silicio.

Organizmai išmoko gaminti kietas medžiagas.

Būtent tai aš ir norėčiau mokėti --

įtikinti biologiją

dirbti su likusia periodinės lentelės dalimi.

Jei pažvelgtumėte į biologiją,

yra daug struktūtų kaip DNR ar antikūniai

ir baltymai, ir ribosomos, apie kuriuos esate girdėję,

kurie jau yra nano-struktūrizuoti.

Taigi gamta jau mums pateikia

tikrai rafinuotas nanoskalės struktūras.

Kas jei galėtume jas įkinkyti

ir įtikinti nebebūti antikūniu,

kuris daro kažką panašaus į ŽIV?

Bet kas jei galėtume juos įtikinti

gaminti mums saulės elementus?

Taigi štai Jums keletas pavyzdžių: čia yra keletas natūralių kriauklių.

Tai natūralios biologinės medžiagos.

Jūrinės ausinukės kriauklė -- ir jei Jūs ją įskelsite,

galite pamatyti, kad ji nano-struktūrizuota.

Titnagdumbliai sudaryti iš silicio dioksido,

jie - magnetotaktinės bakterijos,

kurios gamina mažus, vieno domeno magnetus, kuriuos naudoja navigacijai.

Ką jie visi turi bendro yra

tai, kad šios medžiagos yra nanoskalės struktūros

ir turi DNR seką,

koduojančią baltymų seką,

kuri suteikia jiems planą,

įgalinantį statyti šias tikrai nuostabias struktūras.

Grįžtant prie jūrinės ausinukės kriauklės,

jūrinė ausinukė gamina šią kriauklę tam tikrų turimų baltymų dėka.

Tie baltymai labai neigiamai įkrauti.

Ir jie gali iš aplinkos savintis kalcį,

dėti kalcio sluoksnį, tada karbonato, kalcio ir karbonato.

Šie baltymai turi aminorūgščių seką,

sakančią: "Taip reikia statyti struktūrą.

Štai DNR seka, štai baltymų seka

reikalingos tai padaryti."

Ir įdomu tai, kad jei galėtume paimti kiekvieną medžiagą, kokios tik norėtume,

arba bet kokį periodinės lentelės elementą,

rasti atitinkamą DNR seką,

užkoduoti ją reikiamai baltymų sekai tam,

kad pastatytume struktūrą, tačiau ne jūrinės ausinukės kriauklę --

pastatyti kąnors, gamtos dėka,

su kuo dar niekada neteko dirbti.

Taigi štai periodinė lentelė.

Aš labai myliu periodinę lentelę.

Kasmet kiekvienai naujokų klasei MIT

aš esu paruošusi periodinę lentelę, kuri sako:

"Sveiki atvykę į MIT. Dabar Jūs savo elemente."

Ir jūs galite ją apversti ir rasti aminorūgščių seką

su pH vertėmis, kurioms esant jos turi skirtingus krūvius.

Ir tokias lenteles aš duodu tūkstančiams žmonių.

Ir žinau, jog ant jų parašyta MIT, o čia Caltech,

tačiau turiu keletą papildomų lentelių, jei žmonės užsinorėtų.

Ir man tikrai pasisekė,

kad prezidentas Obama aplankė mano laboratoriją

lankydamasis MIT,

ir aš tikrai norėjau jam duoti periodinę lentelę.

Taigi aš nemiegojau visą naktį ir kalbėjausi su savo vyru:

"Kaip man prezidentui Obama duoti periodinę lentelę?

Kas jei jis pasakys: 'O, aš jau turiu tokią,'

arba: 'Aš jau ją moku mintinai'?"

Taigi jis atvyko į mano laboratoriją,

apsižvalgė -- tai buvo puikus vizitas.

Ir po to, aš pasakiau:

"Pone, norėjau Jums duoti periodine lentelę

jei netyčia kada užstrigtumėte ir Jums reiktų suskaičiuoti molekulinę masę."

Aš pamaniau kad molekulinė masė skamba ne taip moksliukiškai

kaip molinė masė.

Jis pažvelgė į ją

ir tarė:

"Ačiū. Aš periodiškai į ją žiūrėsiu."

(Juokas)

(Plojimai)

Vėliau, sakydamas paskaitą apie švarią energiją,

jis išsitraukė ją ir pasakė:

"Ir MIT žmonės, jie dalina periodines lenteles."

Taigi iš esmės ko aš Jums nesakiau

yra tai, kas maždaug pries 500 milijonus metų organizmai pradėjo kurti medžiagas,

tačiau jiems prireikė apie 50 milijonų metų, kad jie taptų geri toje srityje.

Jiems prireikė 50 milijonų metų,

kad jie išmoktų idealiai gaminti jūrinės ausinukės kriauklę.

Ir tai sunku įtikinti magistrantui.

"Aš turiu nuostabų projektą -- 50 milijonų metų."

Taigi mes atradome kelią

viską atlikti greičiau.

Mes naudojame virusą, netoksišką virusą,

vadinamą M13 bakteriofagu,

kurio darbas yra užkrėsti bakterijas.

Jo paprasta DNR struktūra,

kurios tam tikras dalis galima iškirpti arba

tam tikras dalis įterpti

Taip darant, virusas

sintetina atsitiktines baltymų sekas.

Tai pakankamai paprasta biotechnologija.

Ir iš esmės tai galima atlikti milijardus kartų.

Taigi galima turėti milijardą skirtingų virusų,

kurie genetiškai identiški,

tačiau skiriasi vienas nuo kito remiantis

viena seka,

kuri koduoja vieną baltymą.

Paėmus milijardą virusų

ir idėjus juos į lašą skysčio,

galima priversti juos sąveikauti su bet kokiu periodinės lentelės elementu.

Ir natūraliosios atrankos proceso metu

gali ištraukti vieną iš milijardo, kuris darys kažką, ko tu norėsi,

pavyzdžiui, augins bateriją ar saulės elementą.

Iš esmės, virusai negali replikuotis, jiems reikia šeimininko.

Kai tik randi tą vieną iš milijono,

apkreti juo bakteriją

ir taip gamini milijonus ir milijardus atitinkamos

sekos kopijų.

Kitas gražus su biologija susijęs dalykas

yra tai, kad biologija kuria labai rafinuotas struktūras

su įmantriomis jungčių skalėmis.

Šie virusai ilgi ir ploni,

mes galime juos priversti išreikšti galimybę

gaminti kažką tokio kaip puslaidininkiai

arba medžiagos baterijoms.

Čia didelio galingumo baterija, kurią išauginome mano laboratorijoje.

Mes privertėme virusą rinkti nanovamzdelius.

Taigi viena viruso dalis griebia anglies nanovamzdelį.

Kita viruso dalis turi seką,

kuri gali baterijai užauginti elektrodo medžiagą.

Ir tuomet ji prisijungia laidais prie srovės surinkėjo.

Natūraliosios atrankos proceso metu

mes pirmiausia sukūrėme virusą, gebantį kurti prastą bateriją,

po to užprogramavome virusą kurti visai gerą bateriją

ir galiausiai sikūrėme virusą, gebantį gaminti rekordus viršijančią, didelio galingumo bateriją,

kuri visa gaminama esant kambario temperatūrai, iš esmės darbastalio viršuje.

Ir baterija pateko į Baltuosius Rūmus, į spaudos konferenciją.

Aš atsinešiau ją čia.

Galite ją pamatyti šiame lagaminėlyje -- jos dėka šviečia ši LED lempa.

Jei mums pavyktų padidinti visa tai,

tokias baterijas galima būtų naudoti

kaip energijos šaltinį Jūsų Toyota Prius automobiliui,

kas yra mano svajonė -- vairuoti viruso varomą automobilį.

Tačiau iš esmės --

galite ištraukti vieną iš milijardo.

Galite jam atlikti daugybę amplifikacijų.

Iš esmės, amplifikaciją atlieki laboratorijoje.

Ir tada jis pats susrenka

į struktūrą kaip baterija.

Mes galime taip elgtis ir su katalize.

Pavyzdžiui,

su fotokatalitiniu vandens skaidymu.

Ką mes galėjome padaryti

tai sukurti virusą, kuris iš esmės renka dažus/spalvas absorbuojančias molekules

ir išrikiuoja jas viruso paviršiuje

kaip anteną.

Energija perduodama per virusą.

Tada mes duodame antrą geną,

kad užaugintų neorganinį metalą,

kuris galėtų būti panaudotas vandens skaidymui

į deguonį ir vandenilį,

kuris gali būti panaudojamas švariam kurui.

Aš atsinešiau su savimi pavyzdį.

Mano studentai pažadėjo man, kad tai veiks.

Čia iš virusų padaryti nanolaidai.

Kai į juos švieti, gali matyti kaip jie burbuliuoja.

Šiuo atveju, matote deguonies burbuliukus.

Iš esmės, kontroliuodami genus,

galime kontroliuoti sudėtines medžiagas, kad pagerintume prietaiso veikimą.

Paskutinis pavyzdys yra saulės elementai.

Visa tai galima padaryti ir su saulės elementais.

Mes galėjome sukurti virusus,

kurie renka anglies nanovamzdelius

ir išaugina titano dioksidą aplink juos --

būdas elektronams judėti per prietaisą.

Ir ką mes sužinojome, kad genų inžinerijos dėka

mes galime padidinti

saulės elementų efektyvumą

iki rekordinių skaičių

naudodami šias dažams jautrias sistemas.

Atsinešiau ir vieną tokį pavyzdį,

su kuriuo galėsite vėliau lauke pažaisti.

Čia virusiniu pagrindu sukurtas saulės elementas.

Evoliucijos ir natūraliosios atrankos dėka

mes padidinome saulės elemento efektyvumą nuo 8%

11%.

Taigi tikiuosi, jog įtikinau Jus,

kad yra daug nuostabių, įdomių dalykų, kuriuos galime sužinoti

apie tai, kaip gamta gamina medžiagas --

kitas žingsnis -

pažiūrėti ar galime tai pažaboti

arba pasinaudoti tuo, kaip gamta gamina medžiagas,

gamindami medžiagas, kurių gamta nė nesvajojo kurti.

Ačiū.