Angela Belcher: Hogyan növesszünk akkumulátorokat a természet segítségével

Gondoltam egy kicsit arról beszélnék, hogyan csinál anyagokat a természet. Magammal hoztam egy tengeri csiga házát. Ez a csigaház egy biokompozit anyag tömegének 98 százaléka kalcium karbonát és két százaléka fehérje. Mégis, 3000-szer erősebb mint a geológiai megfelelője. Sok ember használ csigaház-szerű szerkezeteket, mint a kréta. Lenyűgözött, hogyan állítja elő a természet ezeket az anyagokat, és hosszan lehetne sorolni, hogyan végzi el e tökéletes munkákat. Egyrészről ezek az anyagok felépítésükben makroszkópikusak, de nanoszinten képződnek. Nanoszinten képződnek, és genetikailag kódolt fehérjéket használnak, hogy megépítsék ezeket a tökéletes struktúrákat.

Ezért számomra lenyűgöző a gondolat, hogy mi lenne, ha életet tudnánk adni nem élő dolgoknak, mint pl. akkumulátoroknak és napelemeknek? Mi lenne, ha rendelkeznének olyan tulajdonságokkal, mint a csigaház is, abban az értelemben, hogy tökéletes dolgokat építenek, szobahőmérsékleten és normál nyomáson, nem mérgező anyagokból, és nem mérgező anyagokat juttatva vissza a környezetükbe? Ez hát a látomás amin gondolkodtam. Mi lenne, ha tudnánk elemeket növeszteni petri csészében? Vagy, mi lenne, ha genetikai információt adhatnánk az elemeknek, hogy időbeli hatékonyságuk megnőjön és ez környezetbarát módon történjen?

És visszatérve a csigaházakra, amellett, hogy nano-struktúráltak, lenyűgöző az is, hogy mikor egy hím és egy nőstény csiga összejönnek, továbbadják a genetikai információt, ami azt mondja "Így kell tökéletes anyagot építeni szobahőmérsékleten és nyomáson, nem mérgező anyagokból." Ugyanígy a kovamoszatok is, amelyek páncéljai üvegszerű szerkezetek. Valahányszor a kovamoszatok osztódnak, átadják a genetikai információt, ami azt mondja, "Így kell üveget építeni az óceánban, amely nano-szinten tökéletesen struktúrált. És ezt megteheted újra és újra." Mi lenne hát, ha mi is megtehetnénk ugyanezt napelemekkel vagy akkumulátorokkal? Szoktam mondani, hogy a kedvenc bio-anyagom a négy éves gyermekem.

Bárki, akinek van, vagy ismer kisgyermekeket tudja, hogy hihetetlenül komplex organizmusok. Ezért meggyőzni őket, hogy csináljanak valamit amit nem akarnak, nagyon bonyolult. Tehát ha a jövő technológiáiról gondolkodunk, akkor baktériumokra és vírusokra gondolunk, egyszerű szervezetekre. Rá tudjuk venni őket, hogy dolgozzanak egy új szerszámkészlettel, hogy létrehozhassanak egy szerkezetet, amely számomra fontos lesz?

Ugyanígy, amikor a jövő technológiáiról gondolkodunk, a Föld keletkezésénél kell kezdenünk. Nagyjából egymilliárd évig tartott, amíg élőlények jelentek meg a Földön. Ezután azonban elég gyorsan soksejtűvé váltak, tudtak szaporodni, képessé váltak a fotoszintézisre, hogy energiát gyűjtsenek. De csak nagyjából 500 millió évvel ezelőtt -- a Kambrium időszak során -- kezdtek el kemény agyagokat előállítani. Azelőtt mind puha, képlékeny lények voltak. És ezalatt az idő alatt éppen növekedett a kalcium, a vas és a szilícium mennyisége a környezetben. És az élőlények megtanultak kemény anyagokat előállítani. És ez az, amire én képessé szeretnék válni -- meggyőzni a biológiát hogy dolgozzon a periódusos rendszer többi részével.

Ha megnézitek a biológiát, sok olyan szerkezet van mint a DNS és az antitestek, a fehérjék és a riboszómák, melyekről tudhatod, hogy már nano-struktúráltak. Így a természet már adott nekünk tökéletes nano-méretű struktúrákat. Mi lenne, ha munkára fognánk őket és meggyőznénk, hogy ne antitestek legyenek ami olyasmit csinál mint a HIV? Hanem rávennénk őket, hogy napelemet építsenek nekünk? Itt van néhány példa: ezek természetes házak.

Természetes biológiai anyagok. Itt a csigahéj - és ha eltöröd, láthatod, hogy nano-struktúrált. Ezek kovavázak szilicium-dioxidból, ezek magnetotaktikus baktériumok amik kis, egydoménes mágneseket használnak tájékozódásra. És ami ezekben közös az az, hogy ezek az anyagok nano-léptékben készülnek, s e lényeknek van egy DNS szakaszuk, ami egy fehérjeláncot kódol, s ez számukra egy tervrajz arra nézve, hogy hogyan építsék fel ezeket a csodálatos struktúrákat. Visszatérve most a csigaházakhoz, a csiga a házát ezekkel a fehérjékkel építi. Ezek a fehérjék erősen negatív töltésűek, és meg tudják kötni a kalciumot a környezetből, lerakva egy réteg kalciumot, aztán karbonátot, majd megint kalciumot és karbonátot. Megvan az a kémiai aminosav-sorrend, amely azt mondja: "Így építed fel a szerkezetet! Itt a DNS kód és a fehérje szerkezet, hogy meg tudd ezt tenni" Ezért érdekes az ötlet, hogy mi van, ha fogod az anyagot amit szeretnél, vagy a periódusos rendszer egy elemét, megkeresed a megfelelő DNS szakaszt, lefordítod aminosav-sorrendre, hogy kapj egy fehérjét, amely felépíti a szerkezetet. De ne csigaházat -- hanem valamit, amivel a természetben még nem volt alkalma dolgozni.

Itt a periódusos rendszer. Én imádom a periódusos rendszert. Az MIT-n minden évben csináltatok a gólyáknak egy periódusos rendszert amin az áll "Üdvözlünk az MIT-n. Most már elemedben vagy." És ha megfordítod, ott vannak az aminosavak és a pH-értékek ahol különböző a töltésük. És ezt kiosztjuk emberek ezreinek. És tudom, hogy MIT van rajta, ez pedig a Caltech, de van nálam pár, ha valaki szeretne. Abban a szerencsében volt részem, hogy Obama elnök úr meglátogatott a laborban idén az MIT-n. Nagyon szerettem volna neki periódusos rendszert adni. Fentmaradtam éjszaka a férjemmel és arról beszéltünk, "Hogyan adjam át Obama elnök úrnak a periódusos rendszert?" Mi van, ha azt mondja "Ó, már megvan", vagy "Már bemagoltam?" Eljött tehát a laborba, és körülnézett - nagyszerű volt. Utána azt mondtam: "Uram, szeretnék adni egy periódusos rendszert, hátha egyszer égető szükségét érzi a molekulasúly-számításnak." Úgy gondoltam, hogy a molekulasúly sokkal kevésbé kocka, mint a moláris tömeg. Ő ránézett, és azt mondta, "Köszönöm, majd elemezem." (Nevetés) (Taps) Később egy előadáson, amit a tiszta energiáról tartott, előhúzta, és azt mondta: És a MIT- n azok az emberek periódusos táblázatokat osztogatnak."

Szóval amit nem mondtam még, hogy 500 millió évvel ezelőtt az élőlények elkezdtek szilárd anyagokat gyártani, de közel 50 millió évükbe telt, hogy jók is legyenek benne. Közel 50 millió évükbe telt, hogy tökéletesítsék, hogyan készítsék el ezt a csigaházat. Ezt nehéz eladni egy végzős hallgatónak. "Itt ez a nagyszerű projekt -- 50 millió év..." Szóval meg kellett találnunk a módját, hogy gyorsabban boldoguljunk. Így hát egy vírust használunk, amely nem okoz bajt, úgy hívják, M13 bakteriofág, és baktériumokat fertőz. Egyszerű DNS-e van, melybe bele tudsz nyúlni: kivághatsz és bele illeszthetsz további DNS-szakaszokat. Ezáltal a vírus képes lesz véletlenszerű fehérjeláncot produkálni.

Ez egy rém egyszerű biotechnológiai játék. Ezt egymilliárdszor megismétled. A végén lesz egymilliárd különböző vírusod, melyek genetikailag mind egyediek. de egymástól csak egy ponton különböznek: egy kis szakaszban, amely pont egy aminosavat kódol. Most fogod mind az egymilliárd vírusodat, beleteszed őket egy csepp folyadékba, és a periódusos rendszer bármelyik elemével érintkezésbe hozhatod őket. Majd szelekciós fejlesztés útján kiemelheted azt az egyet, amely olyasmit csinál, ami neked tetszik, pl. zseblámpaelemet vagy napelemet növeszt.

A vírusok amúgy nem képesek lemásolni magukat, gazdasejtre van szükségük. Amikor megtaláltad azt az egyet a milliárdból, megfertőzöl vele egy baktériumot, s így készítesz kismillió másolatot abból a bizonyos DNS-szekvenciából. A másik csodás dolog a biológiában, hogy igazán tökéletes struktúrákat kínál neked. Ezek hosszú és kecses vírusok, amiket képessé tehetünk, hogy olyanná fejlődjenek, mint a félvezetők vagy az elektromos elemek anyagai.

Íme, itt egy nagy teljesítményű elem, amelyet a laboromban növesztettünk. Terveztünk egy vírust, amely szén nanocsöveket vesz fel. A vírus egy része tart egy nanocsövet. A másik része rendelkezik egy utasítással, amely elektródanyagot képes növeszteni egy akkumulátor számára. És ezután beköti magát az aktuális kollektorba. Szelekciós fejlesztés útján eljutottunk egy vacak akkumulátort gyártó vírustól egy jó akkumulátort gyártóig, majd egy rekord teljesítményűig, mindezt szobahőmérsékleten, nagyjából az asztalon. Elküldtük az akkumulátort a Fehér Házba egy sajtótájékozatóra. És elhoztam ide is. És most láthatjátok, ettől világít ez a LED. Ha fel tudnánk nagyítani, akkor használhatnánk Prius meghajtására is, ami az álmom -- vírussal meghajtott autót vezetni.

De alapvetően csak kiemelsz egyet a milliárdból. Kiegészítéseket csinálhatsz hozzá a laborban. Kiegészítéseket csinálhatsz hozzá a laborban, és ráveszed, hogy önszerveződjék akkumulátor-szerű struktúrává. Katalizátorral is megcsinálhatjuk ezt. Például víz fotokatalitikus bontásához. Sőt, képessé váltunk arra is, hogy vírusokkal összegyűjtsünk festékkötő molekulákat, ráhelyezzük ezeket a vírus felszínére, és ez úgy működik, mint egy antenna: energiát csapdázhatsz a vírussal. Majd adunk neki egy másik gént, hogy alkosson olyan szervetlen anyagot, amivel elbonthatja a vizet oxigénre és hidrogénre, ami tiszta üzemanyagként használható. Hoztam egy példát. A hallgatóim megígérték, hogy működni fog. Ezek vírus-alkotta nanovezetékek. Ha megvilágítod, látod, hogy bugyborékol. Ez esetben oxigén-buborékokat látsz távozni. És végülis a géneket irányítva, több anyagot irányíthatsz, így fokozva eszközöd teljesítményét.

A következő példa a napelemek. Megcsinálhatod mindezt napelemekkel is. Tudunk vírusokat tervezni, hogy nanocsöveket vegyenek fel majd titán-dioxidot növesztünk köréjük -- s így elektronokat nyerhetünk a készülékből. Azt találtuk, hogy genetikai tervezéssel rekord nagyságúra növelhetjük a napelemek teljesítményét amelyek ezeket a festékkötő vízbontó rendszereket ellátják. Hoztam egy ilyet is, ezzel majd odakint eljátszhattok. Szóval egy vírus-alapú napelem. Fejlesztéssel és szelekcióval 8%-os hatékonyságú napelemből 11%-os hatékonyságút fejlesztettünk.

Remélem hát, hogy meggyőztelek titeket, nagyszerű és érdekes dolgot kell még megtudjunk arról, hogyan csinálja a természet ezeket az anyagokat -- és eljutni a következő lépésig, hogy megtudjuk, rávehető-e, vagy hasznosítható-e ahogyan ezeket az anyagokat a természet elkészíti hogy olyan dolgokat alkossunk, melyekről a természet

még csak nem is álmodott. Köszönöm.