Angela Belcher: At bruge naturen til at dyrke batterier

Jeg tænkte at jeg vil tale en lille smule om hvordan naturen laver materialer. Jeg tog en abaloneskal med mig. Denne abaloneskal er et biokomposit materiale hvor massen er 98 procent kalciumkarbonat og to procent af massen er protein. Ja, det er 3.000 gange mere hårdfør end sit geologiske modstykke. Og mange mennesker bruger måske strukturer som abaloneskaller, ligesom kridt. Jeg er blevet fascineret af hvordan naturen laver materialer, og der har meget at gøre med rækkefølge måden hvorpå de laver sådan et elegant stykke arbejde. En del af dette er at disse materialer har en makroskopisk struktur, men de bliver formet på nano målestoksforhold. De bliver formet på nano målestoksforhold, og de bruger proteiner der er kodet af det genetiske niveau der tillader dem at bygge disse virkelig elegante strukturer.

Så noget som jeg synes er meget fascinerende er hvis man kunne bringe liv til ikke levende strukturer, ligesom batterier og ligesom solceller? Hvad hvis de havde nogle af de samme evner som en abaloneskal havde, med hensyn til at være i stand til at bygge virkelig elegante strukturer ved stuetemperatur og stue trykniveau, ved at bruge ikke giftige kemikalier og tillægger ikke giftige materialer tilbage til miljøet? Så det er den vision jeg har tænkt på. Så hvad hvis man kunne dyrke et batteri i en petriskål? Eller, hvad hvis man kunne give genetisk information til et batteri så det faktisk kunne blive bedre med tiden, og gøre det på en miljøvenlig måde?

Så, når man går tilbage til abaloneskallen, ud over at være nanostruktureret, en ting der er fascinerende, er når en mandlig og en kvindelig abalone finder sammen, giver de genetisk information videre der siger, "Dette er hvordan man bygger et elegant materiale. Her er hvordan man gør det ved stuetemperatur og trykniveau, ved hjælp af ikke giftige materialer." Det samme med kiselalger, der er vist her til højre, der er glasagtige strukturer. Hver gang kiselalgerne formerer sig, giver de genetisk information der fortæller, "Sådan bygger man glas i havet der er perfekt nanostruktureret. Og man kan lave det ens, igen og igen." Så hvad hvis man kunne gøre det samme med en solcelle eller et batteri? Jeg kan godt lide at sige at mit yndlings biomateriale er min fire-årige.

Men alle der nogensinde har haft, eller kender, små børn ved at de er utrolig komplicerede organismer. Så hvis man ville overbevise dem om at gøre noget de ikke vil gøre, er det meget vanskeligt. Så når vi tænker på fremtidige teknologier, vi tænker faktisk på at bruge bakterier og virusser, simple organismer. Kan man overbevise dem om at arbejde med en ny værktøjskasse, så de kan bygge en struktur der vil være vigtig for mig?

Ligeledes, når vi tænker på fremtidige teknologier, begynder vi med begyndelsen på Jorden. Dybest set, tog det en milliard år før der var liv på Jorden. Og meget hurtigt, blev det multicellulær liv, som de kunne reproducere, de kunne bruge fotosyntese som deres energikilde. Men det var ikke indtil for 500 millioner år siden -- i den cambriske geologiske tids periode -- at organismerne i havet begyndte at lave hårde materialer. Før det, var de alle bløde, dunagtige strukturer. Og det var i denne periode at der var forhøjet kalcium og jern og silikone i miljøet, og organismerne lærte hvordan man laver hårde materialer. Så det er det jeg gerne ville være i stand til at gøre -- overbevise biologi om at arbejde sammen med resten af det periodiske system.

Hvis man kigger på biologi, er der mange strukturer som DNA og antistoffer og proteiner og ribosomer som man har hørt om som allerede er nanostruktureret. Så naturen giver os allerede virkelig elegante strukturer på nanoniveau. Hvad ville der sker hvis vi kunne udnytte dem og overbevise dem om ikke at være et antistof der gør noget ligesom HIV? Men hvis vi kunne overbevise dem om at bygge en solcelle for os? Så her er der nogle eksempler: dette er nogle naturlige skaller.

Det er naturlige biologiske materialer. Abaloneskallen her -- og hvis man brækker det, kan man se på det faktum at det er nanostruktureret. Der er diatomer lavet af SIO2, det er magnetotaktiske bakterier der laver små, enkelt område magneter der bruges til navigation. Det som alle disse har tilfælles er at disse materialer er struktureret på nanoniveau, og de har en DNA sekvens der koder en bestemt proteinsekvens der giver dem grundtegningen til at være i stand til at bygge disse virkelig vidunderlige strukturer. Går vi tilbage til abaloneskallen, laver abalonen denne skal ved at have disse proteiner. Disse proteiner er meget negativt ladede. Og de kan trække kalcium ud af miljøet, lægge et lag kalcium og så karbonat, kalcium og karbonat. Den har den kemiske sekvens af aminosyrer, der siger, "Dette er hvordan man bygger strukturen. Her er DNA sekvensen, her er proteinsekvensen til at kunne gøre det." Så en interessant ide er, hvad hvis man kunne tage et hvilket som helst materiale man ville, eller hvilket som helst element i det periodiske system, og finder dens tilsvarende DNA sekvens, og så koder den til en tilsvarende proteinsekvens for at bygge en struktur, men ikke bygger en abaloneskal -- men bygger noget der, gennem naturen, har den aldrig fået muligheden til at arbejde endnu.

Så her er det periodiske system. Og jeg elsker absolut det periodiske system. Hvert år ved den tiltrædende førsteårselev klasse ved MIT, har jeg lavet en periodisk tabel der siger, "Velkommen til MIT. Du er nu i dit rette element." Og man vender den om, og det er aminosyrer med PH værdien hvor de har forskellige ladninger. Så jeg giver dette til tusindevis af mennesker. Og jeg ved der står MIT, og dette er Caltech, men jeg har et par ekstra hvis folk vil have dem. Og det var virkelig heldigt at have President Obama på besøg i mit laboratorium sidste år på hans visit til MIT, og jeg ville virkelig gerne give ham det periodiske system. Så jeg blev oppe om natten, og jeg talte med min mand, "Hvordan giver jeg President Obama det periodiske system? Hvad hvis han siger, 'Åh, den har jeg allerede.' eller, 'Jeg har allerede lært den udenad'?" (Latter) Så han kom og besøgte mit laboratorium og kiggede omkring -- det var et storartet besøg. Og bagefter, sagde jeg, "Sir, jeg vil give dig det periodiske system for det tilfælde at du kommer i knibe og har brug for at beregne molekylevægt." Og jeg troede molekylær vægt lød meget mindre nørdet end molær masse. Så han kiggede på den, og han sagde, "Tak. Jeg vil kigge på det periodisk." (Latter) (Bifald) Og senere i en forelæsning som han gav om ren energi fandt han det frem og sagde, "Og folkene ved MIT, de gav mig dette periodiske system."

Så det jeg dybest set ikke fortalte jer er at for cirka 500 millioner år siden, begyndte organismer at lave materialer, men det tog dem cirka 50 millioner år at blive gode til det. Det tog dem cirka 50 millioner år at lære hvordan man perfektionerer det at lave abaloneskaller. Og det er hårdt at sælge til kandidatstuderende. (Latter) "Jeg har dette imponerende projekt -- 50 millioner år." Så vi skulle udvikle en måde til at prøve at gøre dette hurtigere. Så vi bruger en virus der er en ikke giftig virus der hedder M13 bakteriofag hvis job er at inficere bakterie. Jamen den har en simpel DNA struktur som man kan gå ind og klippe og klistre yderligere DNA sekvenser i. Og ved at gøre det, tillader det viruset at udtrykke tilfældige protein sekvenser.

Og dette er ret nem bioteknologi. Og man kunne dybest set gøre dette en milliard gange. Så man kan gå ind og have en milliard forskellige virusser der alle er genetisk identiske, men de er forskellige fra hinanden baseret på deres spids, på en sekvens der koder et protein. Hvis man nu tager alle en milliard virusser, og man kan putte dem i en dråbe væske, kan man tvinge dem til at interagere med hvad som helst man vil i det periodiske system. Og gennem en evolutionær udvælgelsesproces, kan man vælge en ud af en milliard der gør noget man vil have det til, som at dyrke et batteri eller en solcelle.

Så i bund og grund, kan virusser ikke reproducere; de har brug for en vært. Når man finder den ene ud af milliarden, inficerer man den ind i en bakterie, og man laver millioner af millioner af kopier af den bestemte sekvens. Så den anden ting der er smuk ved biologi, er at biologi giver os virkelig elegante strukturer med flotte sammenkædede niveauer. Og disse virusser er lange og tynde, og vi kan få dem til at udtrykke evnen til at dyrke noget som halvledere eller materialer til batterier.

Nu er dette et kraftigt batteri vi dyrkede i mit laboratorium. Vi designede et virus til at samle kulstof nanorør. Så en del af virussen snupper et kulstof nanorør. Den anden del af virussen har en sekvens der kan dyrke et elektrode materiale til et batteri. Og så tilslutter den sig selv til den nuværende samler. Så gennem en evolutionær udvælgelsesproces, gik vi fra at være i stand til at have en virus der lavede usselt batteri til en virus der lavede et godt batteri til en virus der lavede kraftige batterier der slog tidlige rekorder, der alt sammen bliver lavet ved stuetemperatur, dybest set på brugsstedet. Og det batteri var med ved det Hvide Hus til en pressekonference. Jeg tog det med her. Man kan se den i denne kasse -- den giver lys til denne LED. Hvis man nu kunne lave det i et andet størrelsesforhold, kunne man faktisk bruge det til at drive ens Prius, hvilket er min drøm -- at være i stand til at køre en virus drevet bil.

Men det er i bund og grund -- man kan vælge en ud af milliard. Man kan lave mange suppleringer til det. Dybest set, kunne man lave en supplering i laboratoriet, og så kunne man få det til at samle sig selv til en struktur ligesom et batteri. Vi er i stand til også at gøre dette med katalyse. Dette er eksemplet på fotokatalytisk deling af vand. Og det vi har været i stand til at gøre er at designe et virus til dybest set at tage farvestof absorberende molekyler og sætte dem på linje på virussets overflade så det virker som en antenne, og man kan få en energi overførsel hen over virusset. Og så giver vi det et andet gen til at dyrke et uorganisk materiale der kan bruges til at dele vand til oxygen og hydrogen der kan bruges til ren brændstof. Og jeg har taget et eksempel med mig i dag. Mine studerende lovede mig at det ville virke. Der er virus samlede nanotråde. Når man skinner lys på dem, kan man se at de bobler. I dette tilfælde, ser man oxygen boblerne komme ud. Og dybest set, ved at kontrollere generne, kan man kontrollere adskillige materialer til at forbedre ens apparats præstation.

Det sidste eksempel er solceller. Man kan også gøre dette med solceller. Vi har været i stand til at designe virusser til at samle kulfiber nanorørene og så dyrke titaniumdioxid omkring dem -- og bruge som en måde til at få elektronerne gennem apparatet. Og det vi har fundet ud af gennem genetisk design, er at vi faktisk kan forhøje effektiviteten af disse solceller til rekordhøje tal for denne type farvestof følsomme systemer. Og jeg medbragte en af dem også som man kan lege rundt med udenfor bagefter. Dette er en virusbaseret solcelle. Gennem evolution og udvælgelse, vi det fra en otte procent effektiv solcelle til en 11 procent effektiv solcelle.

Så jeg håber at jeg overbeviste jer om at der er mange gode, interessante ting at lære om hvordan naturen laver materialer -- og tage det næste skridt for at se om man kan påvirke, eller om man kan udnytte hvordan naturen laver materialer, til at lave ting som naturen endnu ikke har drømmet om at lave.

Tak.