Используем природу, чтобы растить батарейки

Вдохновлённая раковиной морского ушка, Анджела Белчер программирует вирусы, чтобы делать прекрасные нано-структуры, которые могут использовать люди. Выбирая высоко-продуктивные гены, через прямую эволюцию она создаёт вирусы, которые могут сделать мощные батарейки, чистое водородное топливо и мощные солнечные элементы. На TEDxCaltech она показывает нам, как это делается.

Я немного расскажу о том,
как природа создаёт материалы.

Я принесла с собой раковину морского ушка.

Эта раковина состоит
из биокомпозитного материала:

на 98 процентов из карбоната кальция

и на два процента из протеина.

В то же время она в 3 000 раз прочнее
своего геологического аналога.

Многие используют подобные структуры,

например мел.

Я была поражена тем,
как природа создаёт материалы,

используя множество секретов
в своей утончённой работе.

Частично потому, что эти материалы
имеют макроскопическую структуру,

но формируются они на нано-уровне.

Они формируются в нано-масштабе

и используют протеины,
кодируемые на генетическом уровне,

что позволяет им строить
такие утончённые структуры.

Я думаю, было бы восхитительно,

если бы мы смогли дать жизнь
таким неживым структурам,

как батарейки или солнечные элементы?

Что, если бы у них были те же способности,

как и у раковины морского ушка,

то есть они смогли бы
строить очень утончённые структуры

при комнатной температуре и давлении,

используя нетоксичные химические элементы

без выброса токсичных элементов
в окружающую среду?

Это концепция, о которой я думала.

И что, если бы вы вырастили
батарейку в чашке Петри?

Что, если бы вы смогли передать
генетическую информацию батарейке

так, чтобы она стала дольше работать

и не загрязнять окружающую среду?

Итак, возвращаясь
к раковине морского ушка,

кроме своей нано-структуры, у неё
есть ещё одна захватывающая вещь:

когда мужская и женская особь встречаются,

они передают генетическую информацию:

«Вот так нужно строить
такой сложный материал.

Вот так делать его при комнатной
температуре и давлении,

используя нетоксичные материалы».

Некоторые из диатомов,
показанных здесь,

имеют структуру стекла.

При каждом воспроизведении

они передают такую
генетическую информацию:

«Вот так строится стекло в океане
c идеальной нано-структурой.

И ты можешь повторить это снова и снова».

А что, если сделать то же самое
с солнечным элементом или батарейкой?

Мой любимый биоматериал —
это мой четырёхлетний ребёнок.

Но все, кто имел дело с маленькими детьми,

знают, что они невероятно
сложные организмы.

И если вы хотите уговорить их
делать то, что они не хотят, —

это очень сложно.

Поэтому, когда мы думаем
о технологиях будущего,

мы думаем об использовании
бактерий или вирусов —

простых организмов.

Могу ли я уговорить их работать
с новыми инструментами,

чтобы они смогли строить
необходимые мне структуры?

Также, думая о будущих технологиях,

мы начнем с возникновения Земли.

Понадобился примерно миллиард лет,
чтобы на Земле зародилась жизнь.

И очень скоро, она стала многоклеточной,

организмы смогли воспроизводиться,
использовать фотосинтез

как источник энергии.

Однако только около
500 миллионов лет назад,

во время кембрийского
геологического периода,

эти организмы в океане
стали делать твёрдые материалы.

До этого они все были мягкими,
слабыми структурами.

Именно в это время
количество кальция, железа и кремния

в окружающей среде увеличилось.

И организмы научились делать
твёрдые материалы.

Это то, что я хотела бы научиться делать —

убедить биологию работать
с остальной периодической таблицей.

Если вы взглянете на биологию,

то здесь существует много структур:
ДНК, антителá, протеины и рибосомы,

о которых вы слышали,

которые имеют нано-структуры.

То есть природа уже даёт нам очень
сложные структуры в нано-масштабе.

Что, если бы смогли запрячь их

и убедить их не быть антителами,
которые, например, вызывают ВИЧ?

Что, если бы мы смогли убедить их
построить для нас солнечный элемент?

Вот несколько примеров:

природные раковины,
естественный биоматериал.

Вот раковина морского ушка.

Если вы её разломите,
то увидите, что это нано-структура.

Здесь есть диатомеи, сделанные из кварца,

и бактерия-магнетотактик,

которая делает одиночные магниты,
используемые для навигации.

Общее у них то,

что все эти материалы
состоят из нано-структур.

Последовательность их ДНК
кодирует последовательность протеинов,

которая передаёт им шаблон

для постройки
этих великолепных структур.

Теперь, возвращаясь
к раковине морского ушка,

морское ушко делает раковину,
используя эти протеины.

Эти протеины очень отрицательно заряжены.

Они собирают кальций из окружающей среды,

складывают слоями кальций
и карбонат, кальций и карбонат.

Химическая последовательность
аминокислот в них говорит:

«Вот так нужно строить структуру.

Вот последовательность ДНК
и последовательность протеинов

для её постройки».

А что, если бы можно было

взять любой материал

или элемент из периодической таблицы

и найти соответствующую
последовательность ДНК,

закодировать соответствующую
последовательность протеинов,

для построения структуры,
но не раковину,

а что-то, с чем природа ещё
не имела возможности поработать.

Это периодическая таблица.

Я обожаю периодическую таблицу.

Каждый год для первокурсников в MIT

я делаю периодическую таблицу
с надписью:

«Добро пожаловать в MIT.
Вы в своём элементе».

(Смех)

На обратной стороне есть аминокислоты

и PH, при котором они имеют разные заряды.

Я раздаю её тысячам людей.

Я знаю, на ней написано MIT,
а мы в Caltech,

но у меня есть пара штук, если кто-то захочет.

Мне очень повезло, президент Обама
посетил мою лабораторию в этом году,

когда приезжал в MIT,

и мне очень хотелось дать ему
периодическую таблицу.

Я не спала всю ночь и говорила своему мужу:

«Как я дам президенту Обаме
периодическую таблицу?

А если он скажет,
что у него уже такая есть,

или что он и так её знает наизусть?»

(Смех)

В общем, он пришёл в лабораторию —
визит прошёл замечательно.

А после я сказала:

«Сэр, я бы хотела дать вам
периодическую таблицу,

на случай если вам вдруг понадобится
посчитать молекулярный вес».

(Смех)

Я подумала, что молекулярный вес
звучит понятнее, чем молярная масса.

(Laughter)

Он посмотрел на неё и сказал:

«Спасибо. Я буду периодически
на неё посматривать».

(Смех)

(Аплодисменты)

Позже в своей лекции по чистой энергии

он достал её и сказал:

«И люди в MIT, они раздают
периодические таблицы».

Я вам ещё не сказала,

что около 500 миллионов лет назад
организмы начали делать материалы,

но им понадобилось 50 миллионов лет,
чтобы усовершенствовать их.

Им понадобилось 50 миллионов лет,
чтобы научиться делать такую раковину.

Такой рекламой сложно
заинтересовать аспиранта.

«У меня есть великолепный проект...
на 50 миллионов лет».

Поэтому нам пришлось придумывать,
как ускорить этот процесс.

Мы использовали нетоксичный вирус
М13 — это бактериофаг,

чья работа — заражать бактерии.

У него очень простая структура ДНК,

поэтому ему можно вставить
дополнительную ДНК последовательность.

Это позволяет вирусу создавать
произвольную последовательность протеинов.

И это очень простая биотехнология.

Можно повторять это миллиард раз.

Следовательно, можно получить
миллиард разных вирусов,

которые генетически идентичны,

но отличаются друг от друга

одной последовательностью,

которая кодирует один протеин.

Теперь, если мы возьмём миллиард вирусов
и поместим их в одну каплю жидкости,

мы сможем заставить их
взаимодействовать с любым элементом

периодической таблицы.

И путём выборочной эволюции

мы можем выбрать из миллиарда один,
который сделает то, что ты захочешь,

например, вырастит батарейку
или солнечный элемент.

Вирусы не могут сами воспроизводиться,
им нужен носитель.

Когда мы находим этот один из миллиарда,

мы инфицируем бактерию
и делаем миллионы и миллиарды копий

этой конкретной последовательности.

Ещё одна замечательная вещь в биологии —

она даёт очень утончённые структуры

с замечательными связями.

Эти вирусы длинные и тонкие,

и мы можем заставить их

выращивать, например, полупроводники

или материал для батареек.

Это высоко-мощная батарейка,
выращенная в моей лаборатории.

Мы разработали вирус,
который подбирает нанотрубки.

Одна часть вируса берёт
углеродную нанотрубку,

у другой части есть последовательность,

которая может вырастить
электродный материал для батарейки,

после чего он прикрепляется
к токоприёмнику.

И через процесс выборочной эволюции

мы пришли от вируса, который сделал
второсортную батарейку

к вирусу, который сделал
хорошую батарейку,

а потом к вирусу, который сделал
очень мощную батарейку.

Все они были сделаны при комнатной температуре, фактически на обычном столе.

И эта батарейка ездила в Белый Дом
на пресс-конференцию.

Я принесла её с собой.

Сейчас она подсвечивает LED лампочку.

Если мы сможем изменить масштаб,

то вы бы смогли использовать её,
чтобы ездить на своей Toyota Prius,

Это моя мечта — ездить на машине,
заряженной вирусом.

(Смех)

По существу, мы выбираем
один из миллиарда,

а потом копируем много раз.

Копирование происходит в лаборатории.

А потом они самособираются
в такую структуру, как батарейка.

Мы также смогли сделать это с катализом.

Вот пример расщепления воды
с помощью фото катализа.

Мы смогли разработать вирус,

который фактически окрашивает молекулы

и выстраивает их на поверхности вируса,

и они работают как антенна,

которая распределяет энергию по вирусу.

После этого мы даём ему второй ген,
который позволяет растить

неорганический материал,
использующийся для расщепления воды

на кислород и водород, который можно
использовать как чистое топливо.

Я принесла сюда образец.

Мои студенты обещали,
что он будет работать.

Эти нано-провода собраны вирусом.

Если на них посветить,
можно увидеть пузырьки.

В данном случае пузырится
выходящий кислород.

(Аплодисменты)

Контролируя эти гены,

можно контролировать много материалов,
чтобы улучшить работу устройства.

Последний пример — солнечные элементы.

Можно поступить точно так же
с солнечными элементами.

У нас получилось вырастить вирусы,
которые подбирают углеродные трубки

и потом выращивают
диоксид титана вокруг них,

чтобы можно было пропускать
электроны через устройство.

Мы обнаружили,
что с помощью генной инженерии

можно увеличить
эффективность этих солнечных элементов

до рекордных показателей

для такого вида
светочувствительных систем.

Я также принесла сюда один экземпляр.

С ним можно ознакомиться после.

Это солнечный элемент на основе вируса.

С помощью эволюции и отбора,

мы смогли увеличить
эффективность с 8 процентов

до 11 процентов.

Надеюсь, я вас убедила,

что ещё очень много интересного
можно узнать о том,

как природа создаёт материалы,

и подняться на следующую ступеньку,

чтобы увидеть, сможем ли мы
воспользоваться этими знаниями

чтобы создать то, о чём природа
ещё и не мечтала.

Спасибо.

(Аплодисменты)