Angela Belcher: Využití přírody k pěstování baterií

Napadlo mě, že bych řekla něco o tom, jak příroda tvoří materiály. Přinesla jsem si s sebou škebli ušně. Škeble je z biokompozitního materiálu, což je z 98% uhličitan vápenatý a ze 2% bílkovina. Přesto je 3000krát tužší než jeho geologický protějšek. A spousta lidí možná využívá látky s podobným složením. Například křídu. Fascinovalo mě, jak příroda vytváří různé materiály a je docela řád v tom, jak odvádí tak dokonalou práci. Částečně je to tím, že tyto materiály mají makroskopickou strukturu, ale jsou vytvářeny nanoskopicky. Jsou vytvářeny nanoskopicky a používají bílkoviny sestavované na genetické úrovni, což jim umožňuje vytvořit tyto vskutku dokonalé struktury.

Takže co považuji za velice zajímavé, je, co kdybychom mohli oživit neživé struktury jako baterie nebo solární články? Co kdyby měly některé z vlastností, které má škeble, jako třeba schopnost tvořit dokonalé struktury při pokojové teplotě a tlaku, bez použití toxických chemikálií a bez škodlivých látek, které by se vracely do životního prostředí? Takže tohle je představa, o které jsem uvažovala. No a co kdybychom mohli vypěstovat baterii v petriho misce? Nebo, co kdybychom předali baterii genetickou informaci, takže by se stala lepší a vydržela déle a přitom to udělali způsobem šetrným k životnímu prostředí?

A tak se vracíme ke škebli. Kromě toho, že má nanostrukturu, je na ní fascinující to, že když se samčí a samičí škeble páří, vymění si genetickou informaci, která říká: "Takhle se dělá dokonalý materiál. Tady máš, jak to udělat za pokojové teploty a tlaku a bez toxických látek." Stejné je to s rozsivkami, které můžete vidět zde, což jsou skelné struktury. Pokaždé, když se rozsivky dělí, předávají si genetickou informaci, která říká: "Tady je, jak vytvořit perfektně nano-strukturované sklo v oceánu. A ty to pak můžeš dělat pořád znovu a znovu." Takže co kdybyste mohli udělat to samé se solárním článkem nebo baterií? Ráda říkám, že můj oblíbený biomateriál je moje čtyřleté dítě.

Avšak každý, kdo někdy měl, nebo zná malé děti, ví, že jsou to neuvěřitelně složité organismy. A tak, pokud je chcete přesvědčit, aby udělali něco, co nechtějí, je to náročné. Takže pokud přemýšlíme o budoucích technologiích, ve skutečnosti přemýšlíme o využití bakterií a virů - jednoduchých organismů. Můžeme je přesvědčit, aby pracovali s novými nástroji tak, že budou schopny vytvořit strukturu, která pro mě bude důležitá?

Mimo to, uvažujeme o budoucích technologiích, Začneme se vznikem Země. Obecně to trvalo miliardy let, než na Zemi vznikl život. A velmi rychle se stal mnohobuněčným, schopným replikace, mohl využívat fotosyntézu jako zdroj energie. Ale nebylo to dříve, než před 500 miliony lety - během Kambria - kdy organismy v oceánu začaly vytvářet pevné látky. Předtím to byly měkké, nadýchané struktury. A bylo to během této doby, kdy se v prostředí zvýšilo množství vápníku, železa a křemíku. A organismy se naučily jak vytvářet pevné látky. A to je přesně to, co bych se chtěla naučit - přesvědčit biologii, aby pracovala se zbytkem periodické tabulky.

Když se teď podívám na biologii, je zde mnoho struktur jako DNA, protilátky proteiny a ribozomy, o kterých jste slyšeli, které mají už teď nano strukturu. Takže příroda nám už teď dává skutečně dokonalé nano struktury. Co když je můžeme ovládnout a přesvědčit, aby nebyly protilátkami, které způsobují něco jako HIV? Co kdybychom je mohli přesvědčit, aby nám vytvořily solární články? Takže tady jsou nějaké příklady: tohle jsou přírodní schránky.

Jsou to přírodní biologické látky. Tady je skeble - a když ji rozlomíte, můžete si ověřit, že má nano strukturu. Támhle jsou rozsivky tvořené SiO2 a magnetotactická bakterie, která vytváří jedno pólové magnety použité k navigaci. Co mají všechny tyhle společené je, že všechny tyto materiály jsou vytvořené na nano úrovni a mají DNA sekvenci, která se kóduje na proteinovou sekvenci, která jim dává plány, jak vytvořit skutečné úžasné struktury. Teď se vraťme ke škebli. Ušeň vytváří svou škebli tak, že má tyto proteiny. Tyto proteiny jsou záporně nebité a mohou odebírat vápník z prostředí. Pokládají vrstvu vápníku a pak uhlíku, vápníku a uhlíku... Má chemickou sekvenci aminokyselin, která říká: "Takhle se vytváří struktura. Tady je DNA sekvence, tady je proteinová sekvence, aby to šlo vytvořit." A tak vzniká zajímavá myšlenka, co kdybyste mohli vzít jakýkoliv materiál chcete nebo jakýkoliv prvek periodické tabulky a najít odpovídající DNA sekvenci, poté to zakódovat do odpovídající proteinové sekvence k vytvoření struktury, ale ne k vytvoření ušně - k vytvoření něčeho, skrze přírodu, co ještě nikdy nemělo příležitost vzniknout.

A tak tady máme periodickou tabulku. A já naprosto zbožňuju periodickou tabulku. Každý rok mám pro nově příchozí ročník na MIT připravenou periodickou tabulku, která říká: "Vítejte na MIT. Nyní jste mezi stejnými prvky." A když ji otočíte, jsou tam aminokyseliny s úrovněmi PH, při kterých mají rozdílné náboje. No a tak je rozdávám tisícům lidí. Vím, že je tam napsáno MIT a tohle je Caltech (americké univerzity), ale mám jich tu pár navíc, kdyby někdo chtěl. A měla jsem velké štěstí, že prezident Obama loni naštívil moji laboratoř při návštěvě MIT a hrozně jsem mu chtěla dát tuhle periodickou tabulku. Tak jsem zůstala v noci vzhůru a bavila se s manželem: "Jak mám dát prezidentu Obamovi periodickou tabulku? Co když řekne: 'Oh, už jednu mám', nebo, ''Už jsem si ji zapamatoval'? A tak navštívil moji laborku a porozhlédl se kolem -- byla to skvělá návštěva. A když bylo po všem, řekla jsem: "Pane, Ráda bych Vám dala periodickou tabulku pro případ, že byste se dostal do potíží a potřeboval spočítat molekulární váhu." A říkala jsem si, že molekulární váha zní mnohem méně šprtsky než molární hmotnost. A tak se na ni podíval a řekl: "Děkuji. Budu se na ní dívat periodicky." (Smích) (Potlesk) A později na své přednášce o čisté energii ji vytáhl a řekl: "A lidé na MIT rozdávají periodické tabulky."

Takže co jsem Vám ještě neřekla, je, že zhruba před 500 miliony lety začaly organismy vytvářet materiály, ale zabralo to asi 50 milionů let, než v tom začaly být dobré. Trvalo 50 milionů let naučit se, jak excelovat v tom, jak vytvořit tu škebli. A to vytváří tlak na postgraduálního studenta. "Mám tenhle bezva projekt -- 50 milionů let.." A tak jsme museli najít způsob, jakým to udělat mnohem rychleji. A tak jsme použili virus, je to netoxický virus, nazvaný M13 bakteriofág, jehož práce je nakazit bakterii. No a ten má jednoduchou DNA strukturu, do které se můžete podívat a vyjmout a vložit další DNA sekvence. A když tohle uděláte, dovolí to viru provést expresi náhodných proteinových sekvencí.

A tohle je vážně jednoduchá biotechnologie. A v podstatě to můžete provést milionkrát. No a tak se do toho můžete pustit a mít miliardu různých virů, které jsou všechny geneticky identické, ale liší se od sebe na základě jedné sekvence, která kóduje jeden protein. Když pak vezmete celou tu miliardu virů a dáte je do jediné kapky tekutiny, můžete je donutit reagovat s jakýmkoliv prvkem periodické tabulky chcete. A skrze proces výběrové evoluce, můžete vybrat jeden z miliardy, který dělá něco, co jste chtěli, aby dělal, jako třeba vytváří baterii nebo solární článek.

Viry se ve skutečnosti nemohou replikovat, potřebují hostitele. Jakmile najdete toho jednoho z miliardy, nakazíte jím bakterii a můžete udělat miliony a miliardy kopií určité sekvence. A další věc, která je krásná na biologii, je, že biologie vám nabízí opravdu úžasné struktury s pěkně propojenými skupinami. Tyhle viry jsou dlouhé a tenké a my je můžeme přinutit, aby si vytvořili schopnost nechat vyrůst něco jako polovodiče nebo materiály pro baterie.

A teď, tohle je velice silná baterie, kterou jsem si vypěstovala ve své laboratoři. Vytvořili jsme virus, abychom získali uhlíkové nanotrubice. Takže jedna část viru chytne uhlíkovou nanotrubici. Druhá číst viru má sekvenci, která umí vypěstovat materiál pro elektrodu baterie. A pak se připojí jako elektrické vedení. A tak díky procesu výběrové evoluce jsme se dostali od viru, který vyrábí mizernou baterii, k viru, který vyrábí dobrou baterii, až k viru, který vytváří velice silnou baterii, která láme rekordy, a která je kompletně vyrobená při pokojové teplotě a v podstatě na pracovním stole. A tahle baterie putovala do Bílého domu na tiskovou konferenci. Přinesla jsem ji tam. Můžete ji vidět zde -- rozsvěcuje tuhle LEDku. A kdybychom to mohli celé zvětšit, mohli byste to použít k napájení svého Priusu, což je můj sen -- mít možnost řídit virem poháněné auto.

Ale tohle je začátek -- můžete vybrat jeden z miliardy. Můžete provést spoustu zvětšení. V podstatě děláte zvětšení v laboratoři. A potom se to dostane do stavu sebe-uspořádání do struktury jako baterie. Tohle jsme schopni udělat i s katalýzou. Tady je příklad fotokatalyckého rozkladu vody. A co se nám povedlo udělat, bylo, že jsme donutili virus vzít barvivo absorbující molekuly a vyrovnat je na povrchu viru tak, že se chová jako antena a Vám pak prochází energie skrz virus. A pak jsme přidali druhý gen pro růst neorganického materiálu, který může být použit k rozkladu vody na kyslík a vodík, které pak mohou být použity jako čistá paliva. A já jsem dnes s sebou přinesla příklad. Mí studenti mi slíbili, že to bude fungovat. Tohle jsou virem vytvořené nano dráty. Když na ně posvítíte světlem, všimnete si, že bublají. V tom případě se díváte na unikající bublinky kyslíku. A tak díky kontrole genů můžete k vylepšení svého zařízení použít více látek.

Posledním příkladem jsou solární články. To samé můžete udělat se solárními články. Povedlo se nám upravit viry tak, aby sebraly uhlíkové nanotrubice a potom je obalily oxidem titaničitým a použily je jako způsob přenosu elektronů skrze zařízení. A co jsme zjistili bylo, že skrze genové inženýrství můžeme ve skutečnosti zvýšit výkonnost těchto solárních článků na rekordní čísla právě pro tyto typy barvivem senzitizovaných systémů (Grätzelův článek) A jeden jsem také přinesla, takže si s ním pak můžete venku pohrát. Takže tohle jsou na virech založené solární články. Pomocí evoluce a výběru jsme se posunuli od solárních článků s efektivitou 8% k článkům s efektivitou 11%.

Takže doufám, že jsem Vás přesvědčila, že v tom, jak příroda tvoří materiály, je k naučení spousta skvělých a zajímavých věcí -- a ve výsledku, k tomu, abyste viděli, jestli můžete přírodu donutit nebo jen využít toho, jak příroda tvoří materiály, k výrobě věcí, o kterých se jí ani nesnilo.

Díky