Angela Belcher: Sử dụng tự nhiên để "trồng" pin

Lấy cảm hứng từ vỏ bào ngư, Angela Belcher lập trình những vi rút để tạo ra những kết cấu cỡ nano mà con người có thể sử dụng. Chọn lựa những gen tốt từ quá trình tiến hóa có định hướng, bà đã sản xuất những vi rút có thể xây dựng nên những nguồn pin mới rất khỏe, nhiên liệu hyđrô sạch và pin sử dụng năng lượng mặt trời tốt nhất.

Tôi nghĩ tôi sẽ nói 1 chút về cách mà tự nhiên tạo ra vật chất.

Tôi mang đến đây 1 vỏ bào ngư.

Cái vỏ bào ngư này là 1 vật liệu phức hợp sinh học

nó có 98% khối lượng là canxi cacbonat

và 2% là protêin.

Nhưng, nó bền gấp 3000 lần

những bản sao địa chất.

Và rất nhiều người có thể đã sử dụng những cấu trúc tương tự như những chiếc vỏ bào ngư,

ví dụ như phấn viết bảng.

Tôi đã bị mê hoặc bởi cách mà tự nhiên tạo ra các vật liệu,

và có rất nhiều quy trình

để chúng thực hiện công việc đầy tinh tế này.

Một phần trong số đó là những vật chất này

là những cấu trúc vĩ mô,

nhưng chúng được tạo ra ở tầm nano.

Chúng được tạo ra ở tầm nano,

và chúng sử dụng protêin được mã hóa trong gen

để tạo ra những cấu trúc thực sự tinh vi.

Tôi nghĩ sẽ thật là tuyệt vời

nếu bạn có thể trao sự sống

cho những cấu trúc vô tri,

như pin hay pin sử dụng năng lượng mặt trời?

Hãy thử tưởng tượng, nếu chúng có được 1 số khả năng

như là cái vỏ bào ngư,

trong việc

xây dựng những cấu trúc thực sự tinh vi

ở nhiệt độ phòng và áp suất không khí,

sử dụng những hóa chất không độc hại

và không thải ra bất kì hóa chất độc hại nào vào môi trường?

Đó chính là tầm nhìn mà tôi luôn nghĩ tới.

Và sẽ ra sao nếu bạn có thể "trồng" pin ở 1 cái đĩa Petri?

Hoặc, sẽ ra sao nếu bạn có thể đưa thông tin di truyền mã hóa cho pin

để nó thực sự trở nên tốt hơn

như là 1 chức năng của thời gian,

và làm như vậy bằng 1 cách thân thiện với môi trường?

Và giờ, quay trở lại với chiếc vỏ bào ngư này,

bên cạnh cấu trúc nano của nó,

1 điều nữa thực sự rất hấp dẫn,

đó là khi bào ngư đực và cái kết đôi với nhau,

chúng truyền đi những thông tin di truyền

cho thấy, "Đây là cách để tạo ra những vật chất tinh vi.

Là cách có thể làm ở nhiệt độ phòng và áp suất không khí,

sử dụng các vật liệu không độc."

Tảo cát cũng vậy, ở trên slide này, chúng là những cấu trúc thủy tinh.

Mỗi khi tảo cát sinh sản,

chúng truyền đi những thông tin di truyền cho thấy,

"Đây là cách tạo thủy tinh ở đại dương

có cấu trúc nano hoàn hảo.

Và bạn có thể làm điều tương tự, lăp đi lặp lại."

Vậy sẽ ra sao nếu bạn có thể làm điều tương tự

với pin mặt trời hoặc pin hóa học?

Tôi muốn nói rằng chất liệu sinh học tôi khoái nhất là nhóc con mới 4 tuổi của tôi.

Nhưng bất kì ai đã từng có, hay biết về trẻ con

đều biết chúng là những sinh vật phức tạp đến đáng kinh ngạc.

Vậy nếu bạn muốn thuyết phục chúng

làm những điều chúng không muốn, điều đó là rất khó.

Vì thế, khi chúng ta nghĩ đến các công nghệ tương lai,

thực chất là chúng ta nghĩ đến việc sử dụng vi khuẩn và vi rút,

những sinh vật đơn giản.

Liệu bạn có thể thuyết phục chúng làm việc với 1 chiếc hộp công cụ mới

để có thể tạo ra nhưng cấu trúc

sẽ trở nên quan trọng với tôi hay không?

Đồng thời, chúng tôi nghĩ về những công nghệ tương lai.

Chúng tôi bắt đầu với sự hình thành Trái Đất.

Về cơ bản, sẽ mất đến cả tỉ năm

để sự sống tồn tại trên Trái Đất.

Và rất nhanh chóng, chúng trở thành đa tế bào,

chúng có thể tái tạo, chúng có thể sử dụng sự quang hợp

như là 1 nguồn năng lượng.

Nhưng chỉ tới 500 triệu năm trước --

trong thời kì địa chất Cambri --

thì những sinh vật ở biển mới bắt đầu tạo nên những vật chất cứng.

Trước đó, chúng đều là những cấu trúc mềm và có lông tơ.

Cũng trong khoảng thời gian đó

có sự tăng lên của canxi, sắt,

và silicon trong môi trường.

Và những sinh vật này học cách tạo ra những vật chất cứng.

Và đó cũng là điều là tôi muốn làm --

thuyết phục sinh học

làm việc với "phần còn lại của bảng tuần hoàn".

Giờ nếu bạn nhìn vào sinh học,

có rất nhiều cấu trúc như DNA và kháng thể

và prôtêin hay ri-bô-xôm mà chúng ta biết

chúng chính là những cấu trúc nano.

Vậy là tự nhiên đã cho chúng ta

những cấu trúc thực sự tinh vi ở mức nano rồi.

Sẽ ra sao nếu chúng ta có thể trang bị cho chúng

và thuyết phục chúng đừng trở thành những kháng nguyên

làm những việc tương tự như HIV?

Mà chúng ta có thể thuyết phục chúng

tạo ra pin mặt trời cho chúng ta?

Và đây là 1 số ví dụ: đây là một vài cái vỏ trong tự nhiên.

Chúng là những vật liệu sinh học tự nhiên.

Cái vỏ bào ngư ở đây -- nếu bạn bẻ gãy nó,

bạn có thể thấy nó thực sự có cấu trúc nano.

Còn đây là tảo cát tạo bởi SIO2,

và chúng là vi khuẩn điện từ

có thể tạo ra những nam châm 1 cực nhỏ dùng để định vị.

Chúng đều có chung 1 đặc điểm là

những vật chất này đều được kết cấu ở tầm nano,

và chúng có các chuỗi DNA

để mã hóa cho chuỗi protein,

mà mang đến cho chúng những bản thiết kế

cho phép xây dựng những cấu trúc thực sự tuyệt vời.

Và giờ, quay trở lại với cái vỏ bào ngư,

bào ngư tạo ra cái vỏ này bằng những protêin đó.

Những protein này tích điện âm

nên chúng có thể "hút" nguyên tử canxi từ môi trường xung quanh,

sắp xếp thành 1 lớp canxi rồi 1 lớp cacbon, canxi rồi cacbon.

Những protêin tạo thành bởi các axit amin

cho thấy, "Đây là cách để xây dựng các cấu trúc.

Đây là chuỗi DNA, còn đây là chuỗi protein

để tạo nên nó."

Và ý tưởng thú vị là, sẽ ra sao nếu bạn có thể lấy bất kì vật chất nào bạn muốn,

hay bất kỳ nguyên tố nào trong bảng tuần hoàn,

và tìm chuỗi DNA tương ứng,

sau đó mã hóa nó thành 1 chuỗi protêin

để tạo nên 1 cấu trúc, nhưng không phải là cái vỏ bào ngư --

mà 1 thứ khác, thông qua tự nhiên,

chưa bao giờ chúng có cơ hội thực hiện.

Và đây là 1 bảng tuần hoàn hóa học.

Tôi yêu nó lắm.

Hàng năm, trong lớp học cho sinh viên mới tại MIT,

tôi cho in các bảng tuần hoàn với câu nói,

"Chào mừng đến với MIT. Giờ bạn nằm trong nguyên tố của mình."

Và nếu bạn lật sang mặt bên kia thì sẽ thấy các axit amin

với các độ pH tương ứng với điện tích của các axit amin.

Và tôi đã phát bảng tuần hoàn này cho hàng ngàn người.

Tôi nói, đây là MIT, mà đây là Caltech,

nhưng tôi vẫn còn thừa vài cái đấy, ai đó muốn lấy.

Và tôi đã thực sự may mắn

khi đón Tổng thống Obama đến thăm phòng thí nghiệm của mình năm nay

trong chuyến thăm của ngài đến MIT,

và tôi thực sự muốn đưa ông ấy 1 bảng tuần hoàn.

Tôi đã thức đến tận khuya, và nói chuyện với chồng mình,

"Làm sao em có thể đưa cho Tổng thống Obama 1 bảng tuần hoàn đây?

Sẽ ra sao nếu ông nói, 'Oh, tôi đã có 1 cái rồi,'

hay, 'Tôi đã thuộc nó rồi'?"

Và rồi ông đến thăm phòng thí nghiệm của tôi

và xem xét xung quanh -- đó thực sự là 1 chuyến thăm tuyệt vời.

Và rồi, tôi nói,

"Thưa ngài, tôi muốn đưa cho ngài 1 bảng tuần hoàn

phòng khi ngài gặp chuyện phiền phức và cần tính trọng lượng của phân tử."

Và tôi đã nghĩ "trọng lượng phân tử" nghe có vẻ ít kì quặc

hơn là "khối lượng phân tử gam".

Và rồi ông ấy nhìn nó,

và nói,

"Cảm ơn. Tôi sẽ xem nó 1 cách định kỳ."

(Tiếng cười)

(Vỗ tay)

Sau đó trong giờ thuyết trình về năng lượng sạch,

ông đã lấy nó ra và nói,

"Và những người ở MIT, họ phân phối những bảng tuần hoàn."

Về cơ bản, điều mà tôi chưa nói với bạn

là khoảng 500 triệu năm trước, những sinh vật bắt đầu tạo nên vật chất,

nhưng mất đến 50 triệu năm để có thể làm tốt được nó.

Và chúng đã mất khoảng 50 triệu năm

để học cách làm sao để tạo ra cái vỏ bào ngư 1 cách hoàn hảo.

Và đề tài này hơi khó "bán" cho các nghiên cứu sinh.

"Tôi có 1 dự án tuyệt vời -- 50 triệu năm."

Và chúng ta buộc phải phát triển cách nào đó

để làm việc này nhanh hơn.

Chúng tôi sử dụng những vi rút không độc

tên là M13

có chức năng nhiễm vào vi khuẩn.

Và nó có 1 cấu trúc DNA rất đơn giản

cho phép bạn thâm nhập để cắt và dán thêm

những chuỗi DNA bổ sung.

Bằng cách này, nó cho phép vi rút

phiên mã các chuỗi protêin bất kì.

Đó chỉ là công nghệ sinh học rất đơn giản mà thôi.

Và về cơ bản, bạn có thể làm việc đó cả tỷ lần.

Bạn có thể thâm nhập và có hàng tỉ các vi rút khác loại

nhưng đều giống nhau về mặt di truyền,

chỉ khác nhau ở

ở 1 chuỗi DNA

mã hóa cho 1 protêin.

Giờ, nếu bạn lấy tất cả 1 tỉ vi rút đó,

và đặt chúng trong 1 giọt chất lỏng,

bạn có thể bắt chúng tương tác với bất kì thứ gì bạn muốn trong bảng tuần hoàn.

Dựa trên quá trình của sự tiến hóa chọn lọc này,

bạn có thể làm được điều gì đó bạn muốn,

như là "trồng" pin hay các pin năng lượng mặt trời.

Thực ra vi rút không thể tái tạo chính mình, chúng cần 1 vật chủ.

Một khi bạn đã tìm ra 1 trong số một tỷ đó,

bạn có thể gây nhiễm nó vào 1 vi khuẩn,

và tạo ra hàng triệu hay hàng tỉ phiên bản

của chuỗi đặc biệt đó.

Vậy điều tuyệt vời khác về sinh học

là sinh học mang đến cho bạn những cấu trúc thực sự tinh tế

với những mạng lưới tuyệt vời.

Và với những vi rút dài và nhỏ này,

chúng ta có thể khiến chúng thể hiện khả năng

"trồng" thứ gì đó như là chất bán dẫn

hay nguyên liệu cho pin.

Và đây là 1 cục pin năng lượng lớn mà chúng tôi đã trồng trong phòng thí nghiệm.

Chúng tôi đã thiết kế 1 con vi rút có thể thu được ống cacbon nano.

Thực ra 1 phần trong con vi rút đó tóm được cái ống cacbon nano.

Còn phần còn lại mang 1 chuỗi

có khả năng trồng vật liệu điện cực cho 1 cục pin.

Và sau đó nó tự kết nối với đầu thu.

Vậy là thông qua quá trình tiến hóa có chọn lọc,

chúng tôi đã đi từ 1 vi rút có khả năng tạo ra 1 cục pin không giá trị

đến 1 vi rút có thể tạo ra 1 cục pin tốt

rồi đến vi rút tạo ra những pin năng lượng cao

và tất cả được tạo ra ở nhiệt độ phòng, về cơ bản là ngay trên mặt bàn thí nghiệm.

Và cục pin này đã tới Nhà Trắng trong 1 buổi họp báo,

chính tôi đã mang nó tới.

Bạn có thể nhìn thấy -- nó đang chiếu sáng cái đèn LED này.

Và nếu chúng ta có thể đo tỉ lệ nó,

chúng ta thực sự có thể dùng nó

để chạy Prius của bạn,

đó chính là ước mơ của tôi -- có thể lái 1 chiếc xe lấy năng lượng từ vi rút.

Về cơ bản,

bạn có thể lấy 1 trong số 1 tỉ,

rồi khuyếch đại lên.

Bạn có thể khuếch đại nó ở trong phòng thí nghiệm.

Rồi để nó tự "lắp ráp"

thành những cấu trúc như 1 cục pin.

Chúng tôi có khả năng làm việc đó với chất xúc tác.

Đây là ví dụ

của phương pháp tách nước bằng phương pháp quang xúc tác (photocatalytic).

Và chúng tôi đã có thể

thiết kế 1 con vi rút để lấy các phân tử hấp thụ ánh sáng

rồi xếp chúng trên bề mặt của vi rút

và biến nó thành 1 cái ăng ten,

và bạn có thể vận chuyển năng lượng thông qua vi rút.

Sau đó chúng tôi cho nó gen thứ 2

để trồng 1 hợp chất vô cơ

có thể sử dụng để tách nước

thành oxy và hydro,

hay có thể dùng trong nhiên liệu sạch.

Tôi mang ví dụ này tới đây.

Và những sinh viên của tôi hứa chắc rằng nó sẽ hoạt động.

Đây là những dây nano lắp ráp bởi vi rút.

Khi bạn chiếu sáng chúng, bạn có thể thấy chúng nổi bong bóng.

Trong trường hợp này, bạn có thể thấy những bọt khí oxy nổi lên.

Và bằng cách kiểm soát gen,

bạn có thể kiểm soát nhiều vật liệu khác nhau để cải tiến hiệu suất của thiết bị.

Và ví dụ cuối cùng là những pin sử dụng năng lượng mặt trời.

Bạn có thể làm điều này với chúng.

Chúng tôi đã thiết kế các vi rút

có thể thu được các ống cacbon nano

và sau đó trồng Ti02 xung quanh chúng --

và sử dụng cách này để thu điện tử dựa vào các thiết bị.

Và chúng tôi nhận ra rằng, thông qua các ứng dụng của liệu pháp di truyền,

chúng tôi thực sự có thể tăng

hiệu suất của các pin mặt trời này

để lưu lại các con số

cho các hệ thống nhạy sáng kiểu này.

Và tôi cũng mang tới đây 1 trong số chúng

để bạn xem chơi sau bài nói này.

Đây chính là 1 cục pin mặt trời lấy gốc từ vi rút.

Thông qua sự tiến hóa và chọn lọc,

chúng ta có thể tăng hiệu suất của pin mặt trời từ 8%

lên tới 11%.

Và tôi mong rằng tôi đã có thể thuyết phục bạn

rằng có rất nhiều điều thú vị và tuyệt vời cần học hỏi

về cách mà tự nhiên tạo ra vật chất --

và tiến tới bước tiếp theo

để xem liệu bạn có thể thúc đẩy,

hay lợi dụng việc này,

để tạo ra những thứ mà tự nhiên chưa từng mơ tới.

Cảm ơn các bạn.