Angela Belcher: Koristeći prirodu za rast baterija

Mislila sam kako bi bilo dobro pričati o tome kako priroda stvara materijale. Donijela sam sa mnom školjku petrovo uho. Ta školjka je biorazgradiv materijal koji je po masi 98 posto kalcijev karbonat, a dva posto po masi protein. Ipak, 3.000 puta je teži nego njegov geološki dvojnik. Puno ljudi može koristiti strukture poput petrovog uha, kao npr. kredu. Oduševljena sam time kako priroda radi materijale, i postoji puno nizova u načinu na koji oni rade takav fini posao. Djelomično je to da su ti materijali strukturno makroskopski, ali su formirani na nanostupanjskoj razini. Formirani su na nanostupanjskoj razini i koriste proteine koji su kodirani na genetskoj razini koji im dopuštaju gradnju tih izvrsnih struktura.

Nešto što stvarno oduševljava jest pitanje o tome bi li mogli dati život neživim strukturama poput baterija i solarnih ćelija? Što ako one imaju neke iste mogućnosti koje ima i petrovo uho, u smislu da su u stanju izgraditi stvarno fine strukture na sobnim temperaturama i sobnom tlaku, koristeći neotrovne kemikalije i dodavajući neotrovne materijale natrag u okoliš? Dakle, to je vizija o kojoj sam razmišljala. Što ako možemo uzgojiti bateriju u petrijevoj zdjelici? Ili što ako možemo dati genetsku informaciju bateriji, tako da ona zapravo postane bolja u funkciji vremena, i da to možemo učniti na način koji ne šteti okolišu?

I da se vratimo na petrovo uho, osim što je nano-strukturirana, jedna stvar koja oduševljava je da kada se mužjak i ženka spare, prenose genetsku informaciju koja kaže: "Ovako se gradi izvrstan materijal. Evo kako to napraviti na sobnoj temperaturi i tlaku, koristeći notrovne materijale." Isto je s algama kremenjašicama, koje sjaje upravo ovdje, one imaju građu poput stakla. Svaki puta kada se kremenjašice množe, daju genetički informaciju koja govori: "Ovako se gradi staklo u oceanu koje je savršeno nano-strukturirano. I to se iznova može ponavljati." Dakle, što ako bismo mogli napraviti istu stvar sa solarnim ćelijama ili baterijama? Volim reći kako je moj najdraži biomaterijal moj četverogodišnjak.

Ali bilo tko tko je ikada imao, ili zna malu djecu također zna da su ona nevjerojatno složeni organizmi. I ako ih želite uvjeriti da naprave nešto što ne žele, to je jako teško. Kada razmišljamo o budućim tehnologijama, mi zapravo razmišljamo o korištenju bakterija i virusa, jednostavnih organizama. Možete li njih uvjeriti da rade s novim alatima tako da grade strukture koje će meni biti važne?

Također, mi razmišljamo o budućim tehnologijama. Počevši od stvaranja Zemlje. Napose, trebalo je milijardu godina da život dođe na Zemlju. I jako brzo, organizmi su postali višestanični, mogli su se replicirati, mogli su koristiti fotosintezu kao način dobivanja izvora energije. Ali sve do prije 500 milijuna godina -- tijekom geološkog razdoblja Kambrija -- ti organizmi u oceanu nisu počeli graditi tvrde materijale. Oni su prvotno bili mekane, pahuljaste građevine. I tijekom tog perioda kalcij, željezo i silicij su narasli u okolišu. Organizmi su naučili kako stvarati tvrde materijale. I to je ono što bi ja željela postići -- uvjeriti biologiju; da radi s ostatkom tablice periodnog sustava.

Ako sada pogledate biologiju, postoji mnogo građevina poput DNA i antitijela i proteina i ribosoma o kojima ste čuli koji su također nano-strukturirani. Dakle, priroda nam već daje stvrano izvrsne strukture na nano-stupnju. Što ako bi ih mogli upregnuti i uvjeriti ih da ne budu antitijela koja čine nešto kao HIV? Što ako bismo ih mogli uvjeriti da grade solarne ćelije za nas? Evo nekoliko primjera: ovo su prirodne školjke.

One su prirodni biološki materijal Ovo petrovo uho -- ako ga rastavite, možete vidjeti činjenicu da je nano-strukturiran. Postoje dijatomeje napravljene od SIO2 i one su magnetotaktične bakterije koje čine male, jedno domenske magnete korištene za navigaciju. Što one sve imaju zajedničko jest kako su ti materijali strukturirani nanostupanjski, i imaju DNA redosljed koji kodira za protein tog slijeda, koji im daje nacrt za gradnju tih stvarno predivnih struktura. Da se vratimo na petrovo uho, ono gradi svoj oklop imajući te proteine. Ti proteini su jako negativno nabijeni. Oni mogu izvući kalcij iz okoline, staviti sloj kalcija i zatim karbonata, kalcija pa karbonata. Postoji kemijski redoslijed amino kiseline koji kaže: "Ovako se grade strukture. Ovdje je DNA redoslijed, a ovdje je sekvenca proteina da se to može napraviti." Zanimljiva ideja je, što ako bismo mogli napraviti materijal koji želimo, ili neki element na tablici periodnog sustava, i otkriti da korespondira DNA poretku, i tada ga kodirati za odgovarajući slijed proteina da se izgradi struktura, ali ne struktura petrovog uha -- već nečeg sa čime se, kroz prirodu, još nije imalo priliku raditi.

I dakle, evo periodnog sustava. I ja apsolutno obožavam periodni sustav. Svake godine za nadolazeću novu generaciju studenata na MIT-u, ja imam tablicu periodnog sustava koja kaže: "Dobrodošli na MIT. Sada ste u svom elementu." I kad je okrenete, ima amino kiseline s PH vrijednosti koje imaju različite naboje. Ja ih dijelim tisućama ljudi. I znam da na njoj piše MIT, makar je ovo Caltech, ali ako želite, imam nešto viška. Bila sam stvarno sretna što sam mogla ugostiti predsjednika Obamu u svom laboratoriju ove godine na njegovom posjetu MIT-u i stvarno sam mu željela dati jedan periodni sustav. Ostala sam budna noć prije, i razgovarala sa svojim mužem: "Kako da dam predsjedniku Obami tablicu periodnog sustava? Što ako kaže: "Oh, već imam jedan." ili: "Već sam je naučio napamet!?" I tako je on posjetio moj laboratorij i razgledao okolo -- bio je to odličan posjet. Zatim sam kasnije rekla: "Gospodine, željela bih vam dati tablicu periodnog sustava u slučaju da ikada morate izračunavati molekularnu težinu." I mislila sam da "molekularna težina" zvuči manje štreberski od "molekularna masa". A on je pogledao i rekao, "Hvala vam. Pogledat ću na nju periodički." (Smijeh) (Pljesak) I u nastavku svog predavanja o čistoj energiji, on je izvukao tablicu i rekao: "I ljudi na MIT-u, oni dijele tablice periodnog sustava."

Dakle, ono što vam nisam rekla je da su prije 500 milijuna godina organizmi počeli raditi materijale, ali im je trebalo oko 50 milijuna godina da postanu dobri u tome. Trebalo im je oko 50 milijuna godina da nauče kako usavršiti gradnju te školjke koju danas zovemo petrovo uho. I to je teško prodati studentima koji rade na magisteriju. "Imam ovaj super projekt -- traje 50 milijuna godina." Znači kako smo mi morali razviti način da napravimo to bitno brže. Tako smo se koristili virusom koji je neotrovan i koji se zove M13 bakteriofag čiji je posao da zarazi bakteriju. Ima jednostavnu DNA strukturu u koju se može uči, i na koju se može izrezati i prenijeti dodatni DNA slijedovi. Čineči to, to dozvoljava virusu da izrazi nasumične proteinske slijedove.

I to je prilično jednostavna biotehnologija. I to se praktički može učiniti milijardu puta. I time se može dobiti milijardu različitih virusa koji su svi genetički identični ali se svi razlikuju jedan od drugoga po njihovim vrhovima na određenom slijedu koji kodira za jedan protein. Ako uzmete svih milijardu virusa, i stavite ih u jednu kapljicu tekućine možete ih prisiliti na interakciju s biločime na periodnom sustavu elemenata. I kroz proces selekcijske evolucije, možete izvući jedan iz milijarde koji čini nešto što biste vi željeli, poput toga da izraste u bateriju ili solarnu ćeliju.

Praktički, virusi se ne mogu replicirati, oni trebaju matičnu stanicu. Jednom kada nađete tog jednog iz miljarde, zarazite ga bakterijom i stvarate milijune i milijardu kopija tog određenog slijeda. Druga stvar koja je prekrasna u vezi biologije jest to da vam biologija daje stvarno izvrsne strukture s dobro povezanim stupnjevima. Ti su virusi dugi i mršavi i možemo ih natjerati da izraze mogućnost rasta nečega poput poluvodiča ili materijala za baterije.

Ovo je baterija s visokom snagom koju smo proizveli u mojem laboratoriiju. Izgradili smo virus koji ubire ugljikove nanocjevčice. Jedan dio virusa uzima ugljikovu nanocjevčicu. Drugi dio virusa ima slijed koji može napraviti elektrodu za bateriju. I tako se virus umreži sa sakupljačem struje. I kroz proces selekcijske evolucije, prolazimo od virusa koji radi bijednu bateriju preko virusa koji radi dobru bateriju do virusa koji radi rekordnu, snažnu bateriju i to je sve učinjeno na sobnoj temperaturi, praktički na radnom stolu. Ta je baterija otišla u Bijelu Kuću na press-konferenciju. Odnijela sam je tamo. Možete je vidjeti u ovoj kutiji -- dovoljno je jaka da upali LED svjetiljku. Kada bismo ovo mogli dovesti do razmjera da možemo koristiti taj pogon za pokretanje vlastitog Priusa, što je moj san -- biti u mogućnosti voziti auto koji se pokreće virusom.

Ali to je praktički -- možete izvući jedan iz milijardu Možete napraviti puno pojačanja na njoj. U osnovi, možete napraviti pojačanje u labosu. Možete je natjerati da se sama nakupi u strukturu poput baterije. To smo u mogućnosti učiniti s katalizom. Ovo je primjer fotokatalitičkog dijeljenja vode. Možemo izgraditi virus koji uzima molekule koje će apsorbirati pigment i poredati ih na površinu virusa tako da se ponaša kao antena i dobit ćete prijenos energije kroz virus. I tada mu damo drugi gen da napravi anorganski materijal koji se može korisititi za podijelu vode na kisik i vodik, koji se može korisiti kao čisto gorivo. I ja sam donijela primjer nečeg takvog danas. Moji su mi studenti obećali da će raditi. Ovo su virusno-sakupljajuće nanomreže. Kada ih obasjate svjetlom, možete vidjeti da se pjene. U ovom slučaju, vidite mjehuriće kisika kako izlaze van. I pomoću kontroliranja gena, možete kontrolirati mnogobrojne materijale za unapređenje izvedbe vašeg uređaja.

Zadnji primjer su bile solarne čelije. Ovo isto tako možete napraviti sa solarnim čelijama. Mi smo bili u mogućnosti izgraditi viruse koji će sakupljarti ugljične nanocjevčice i tada stvarati titan-dioksid oko sebe -- i korisiti to kao način dobivanja elektrona kroz uređaje. Ono što smo mi pronašli jest to da kroz genetski inžinjering mi zapravo možemo povećati učinkovitost tih solarnih čelija do rekordnih brojki za te tipove pigmentski-osjetljivih sustava. I takvu jednu sam donijela tako da se možete igrati s njom kasnije. Dakle, ovo je virusno-bazirana solarna čelija. Kroz evoluciju i selekciju, mi smo je doveli od učinkovitosti od 8% do učinkovitosti od 11%.

Tako da se nadam kako smo vas uvjerili da postoji puno izvrsnih, zanimljivih stvari za naučiti o tome kako priroda gradi materijale -- i koje mi možemo dovesti na sljedeću razinu da vidimo možemo li natjerati ili iskorisiti način na koji priroda gradi materijale, da napravimo stvari o kojima priroda još nije ni sanjala.

Hvala vam.