Angela Belcher: Menggunakan alam untuk menumbuhkan baterai

Saya akan berbicara sedikit tentang bagaimana alam membuat material. Saya membawa sebuah cangkang abalon. Cangkang abalon ini adalah sebuah material biokomposit yang 98 persen massanya kalsium karbonat dan dua persen massanya protein. Tapi, benda ini 3.000 kali lebih kuat dari material geologis yang ada. Banyak orang bisa menggunakan struktur seperti abalon ini, untuk kapur misalnya. Saya terpesona oleh bagaimana alam membuat material, dan ada banyak urutan bagaimana mereka dapat melakukan pekerjaan serinci itu. Sebagian alasannya adalah karena material ini secara struktur makroskopik, tapi mereka dibentuk di skala nano. Mereka dibentuk di skala nano, dan mereka menggunakan protein yang disandi di tingkat genetik yang memampukan mereka membangun struktur yang sangat rinci ini.

Jadi, yang menurut saya sangat menarik adalah bagaimana bila Anda dapat memberi kehidupan pada struktur yang tidak hidup, seperti baterai dan sel surya? Bagaimana bila mereka punya kemampuan yang sama seperti yang dilakukan cangkang abalon itu, dalam artian mampu membangun struktur yang sangat rinci pada suhu dan tekanan ruangan, menggunakan bahan yang tidak beracun dan tidak membuang bahan beracun ke lingkungan? Itulah visi yang selama ini saya pikirkan. Jadi bagaimana bila Anda bisa menumbuhkan baterai dalam cawan petri? Atau, bagaimana bila Anda dapat memberi informasi genetik pada sebuah baterai sehingga baterai itu dapat berfungsi lebih baik seiring berjalannya waktu, dan melakukannya dengan cara yang ramah lingkungan?

Lalu, kembali ke cangkang abalon ini, selain strukturnya yang nano, satu hal yang mempesona, adalah ketika abalon jantan dan betina kawin, mereka mewariskan informasi genetik yang mengatakan, "Begini caranya membangun material yang rinci. Begini cara melakukannya pada suhu dan tekanan ruangan, menggunakan material tidak beracun." Sama dengan diatom, yang ditunjukkan di sini, strukturnya seperti gelas. Setiap kali diatom membelah, mereka memberi informasi genetik yang berkata, "Begini cara membuat gelas di dalam laut yang berstruktur nano secara sempurna. Dan kamu dapat melakukan hal yang sama, terus menerus." Jadi bagaimana bila Anda dapat melakukan hal yang sama pada sebuah sel surya atau baterai? Biomaterial favorit saya adalah anak saya yang berumur empat tahun.

Siapapun yang pernah memiliki, atau mengenal, anak kecil tahu bahwa mereka adalah organisme yang sangat kompleks. Bila Anda ingin meyakinkan mereka untuk melakukan sesuatu yang tidak mereka inginkan, akan sangat sulit. Jadi ketika berpikir tentang teknologi masa depan, kita berpikir menggunakan bakteri dan virus, makhluk hidup yang sederhana. Dapatkah Anda meyakinkan mereka untuk bekerja dengan peralatan baru, sehingga mereka bisa membangun sebuah struktur yang akan jadi hal yang penting bagi saya?

Lebih lagi, kita berpikir tentang teknologi masa depan. Kita mulai dengan awal dari Bumi. Pada dasarnya, butuh milyaran tahun sehingga kehidupan muncul di Bumi. Dan dengan sangat cepat, kehidupan menjadi bersel banyak, dapat menggandakan diri, dapat berfotosintesis sebagai cara mendapatkan sumber energi. Tapi baru setelah 500 juta tahun yang lalu -- pada periode waktu geologis Kambrian -- makhluk hidup di samudra mulai membuat material yang keras. Sebelumnya mereka semua mahkluk yang berstruktur lunak. Pada masa itulah ada peningkatan kalsium dan besi dan silikon di lingkungan mereka. Makhluk hidup belajar bagaimana membuat material keras. Saya ingin bisa melakukan hal itu -- meyakinkan biologi untuk bekerja dengan unsur lainnya di tabel periodik.

Sekarang bila Anda lihat biologi, ada banyak struktur seperti DNA dan antibodi dan protein dan ribosom yang sudah Anda dengar dan mereka sudah berstruktur nano. Jadi alam sudah memberi kita struktur yang benar-benar rinci dengan skala nano. Bagaimana bila kita dapat memanfaatkan mereka dan meyakinkan mereka untuk tidak menjadi antibodi yang berakibat seperti HIV? Tapi bagaimana bila kita dapat meyakinkan mereka untuk membangun sebuah sel surya untuk kita? Ini beberapa contohnya: ini adalah beberapa cangkang alami.

Ini adalah material biologis alami. Cangkang abalon di sini -- bila Anda memecahkannya, Anda dapat melihat bukti bahwa strukturnya nano. Ada diatom yang terdiri dari SiO2, dan ada bakteria magnetotatis yang membuat magnet tunggal kecil yang digunakan untuk navigasi. Kesamaan contoh-contoh ini adalah bahwa material itu disusun pada skala nano, dan mereka punya sekuen DNA yang menyandi sebuah sekuen protein, yang memberi mereka cetak biru untuk dapat membangun struktur yang sungguh mengagumkan ini. Sekarang, kembali ke cangkang abalon, abalon membuat cangkang ini dengan protein-protein ini. Protein ini bermuatan sangat negatif. Mereka dapat menarik kalsium dari lingkungan, menyusun lapisan kalsium lalu karbonat, kalsium dan karbonat. Ada sekuen kimia asam-asam amino yang berkata, "Begini cara membangun strukturnya. Ini sekuen DNA-nya, ini sekuen proteinnya untuk melakukan pekerjaan itu." Bagaimana bila Anda dapat mengambil material yang Anda inginkan, atau unsur apapun dalam tabel periodik, dan menemukan sekuen DNA yang cocok dengan itu, lalu menyandinya untuk sekuen protein yang cocok untuk membangun sebuah struktur, tapi bukan cangkang abalon -- membangun sesuatu yang, di alam, belum pernah dibuat di alam.

Ini adalah tabel periodiknya. Saya sungguh suka tabel periodik ini. Setiap tahun untuk mahasiswa baru di MIT, saya membuat tabel periodik yang bertuliskan, "Selamat datang di MIT. Sekarang Anda berada dalam unsur Anda." Silakan Anda balik, di sana ada asam-asam amino dengan pH di mana mereka punya muatan berbeda. Saya memberikan ini pada ribuan orang. Saya tahu ada tulisan MIT, dan ini Caltech, tapi saya punya kelebihan bila Anda mau. Saya sungguh beruntung dikunjungi Presiden Obama di lab saya tahun ini, pada kunjungannya ke MIT, saya sungguh ingin memberinya sebuah tabel periodik. Saya tak bisa tidur, dan saya bicara pada suami saya, "Bagaimana cara saya memberi tabel periodik pada Presiden Obama? Bagaimana bila dia bilang, 'Oh, saya sudah punya satu,' atau, 'Saya sudah menghafalnya'?" Lalu dia berkunjung ke lab saya dan melihat-lihat -- itu kunjungan yang baik. Lalu kemudian saya berkata, "Pak, saya ingin memberi Anda tabel periodik untuk jaga-jaga bila suatu saat Anda butuh menghitung berat molekul." Saya pikir berat molekul terdengar jauh lebih tidak aneh daripada massa molar. Lalu dia melihat tabel itu, dan dia berkata, "Terima kasih. Saya akan melihatnya secara periodik." (Tawa) (Tepuk tangan) Kemudian pada ceramahnya tentang energi bersih, dia mengeluarkannya dan berkata, "Orang-orang di MIT membagi-bagikan tabel periodik."

Pada dasarnya yang belum saya katakan adalah bahwa sekitar 500 juta tahun lalu, makhluk hidup mulai membuat material, tapi mereka butuh sekitar 50 juta tahun untuk jadi mahir. Mereka butuh waktu sekitar 50 juta tahun untuk belajar menyempurnakan cara membuat cangkang abalon itu. Itu bukan hal yang menarik bagi murid pascasarjana. "Saya punya proyek besar -- 50 juta tahun." Maka kami harus mengembangkan cara untuk mencoba melakukan hal ini lebih cepat. Maka kami menggunakan virus yang tidak beracun yang disebut bakteriofag M13 yang kerjanya menginfeksi bakteria. Dia punya sebuah struktur DNA yang sederhana sehingga Anda dapat masuk, memotong, dan merekatkan sekuen DNA tambahan di dalamnya. Dengan melakukan hal itu, virus itu dapat mengekspresikan sekuen protein yang acak.

Ini bioteknologi yang cukup mudah. Pada dasarnya Anda dapat melakukannya milyaran kali. Anda dapat bekerja dan memiliki semilyar virus yang berbeda yang identik secara genetis, tapi satu sama lain berbeda pada satu hal, pada satu sekuen yang menyandi satu protein. Bila Anda ambil semua milyaran virus itu, dan Anda dapat menaruhnya dalam satu tetes cairan, Anda dapat memaksa mereka berinteraksi dengan apapun yang Anda inginkan di tabel periodik. Dan melalui sebuah proses seleksi evolusi, Anda dapat mengambil satu dari satu milyar itu yang melakukan sesuatu yang Anda inginkan, seperti menumbuhkan sebuah baterai atau sel surya.

Pada dasarnya virus tak dapat menggandakan diri sendiri, mereka butuh inang. Saat Anda menemukan satu dari semilyar itu, Anda infeksikan virus itu ke bakteri, dan Anda buat berjuta-juta kopi salinan dari sekuen tertentu itu. Hal lain yang menarik tentang biologi adalah bahwa biologi memberi Anda struktur yang sungguh rinci dengan sambungan sisik yang bagus. Virus-virus ini panjang dan kurus, dan kita dapat menggunakan mereka mengekspresikan kemampuan untuk menumbuhkan sesuatu seperti semikonduktor atau material untuk baterai.

Ini adalah baterai bertenaga besar yang kami tumbuhkan di lab saya. Kami merekayasa sebuah virus untuk mengambil tabung karbon nano. Satu bagian virus mengambil tabung karbon nano. Bagian virus lainnya punya sekuen yang dapat menumbuhkan material elektroda untuk sebuah baterai. Lalu virus itu menyambungkan dirinya sendiri ke pengumpul arus. Melalui sebuah proses seleksi evolusi, kami maju dari punya sebuah virus yang menghasilkan baterai yang rapuh ke virus yang menghasilkan baterai yang bagus ke virus yang menghasilkan baterai yang bertenaga besar dan memecahkan rekor semua itu dibuat di suhu ruangan, di atas meja. Baterai itu dibawa ke Gedung Putih untuk konferensi pers. Saya membawanya ke sini. Anda dapat melihatnya ada di dalam wadah ini -- menyalakan LED ini. Bila kita dapat memperbesar skalanya, Anda dapat menggunakannya untuk menjalankan mobil Prius Anda, itu mimpi saya -- dapat mengendarai mobil bertenaga virus.

Tapi pada dasarnya -- Anda dapat ambil satu dari satu juta. Anda dapat memperbanyaknya berulang kali. Anda melakukan amplifikasi di lab. Lalu Anda membuatnya menyusun dirinya sendiri menjadi struktur seperti baterai. Kami juga mampu melakukan hal yang sama dengan katalisis. Ini contohnya fotokatalisis membelah molekul air. Apa yang sudah dapat kami lakukan adalah merekayasa virus untuk mengambil molekul penyerap warna dan menatanya di permukaan virus itu sehingga molekul tersebut berperan sebagai antena, dan terjadi transfer energi melalui virus itu. Lalu kami memberinya gen kedua untuk menumbuhkan material inorganik yang dapat digunakan untuk membelah air menjadi oksigen dan hidrogen, yang dapat digunakan untuk bahan bakar yang bersih. Saya bawa contohnya bersama saya hari ini. Mahasiswa saya berjanji ini akan bekerja. Ini adalah kawat nano yang disusun dari virus. Ketika Anda menyinarinya, Anda dapat melihat mereka bergelembung. Dalam hal ini Anda sedang melihat gelembung oksigen keluar. Pada dasarnya dengan mengendalikan gen, Anda dapat mengatur beberapa material yang dapat meningkatkan kinerja piranti Anda.

Contoh terakhir adalah sel surya. Anda juga dapat melakukan hal ini pada sel surya. Kami telah mampu merekayasa virus untuk mengambil tabung karbon nano dan lalu menumbuhkan titanium dioksida di sekitar mereka -- yang digunakan untuk menyalurkan elektron melalui piranti itu. Apa yang kami temukan adalah melalui rekayasa genetik, kita dapat benar-benar meningkatkan efisiensi sel-sel surya ini sampai ke angka rekor untuk sistem yang disensitisasi pewarna semacam ini. Saya juga bawa satu contohnya jadi Anda bisa bermain dengannya di luar nanti. Jadi ini adalah sel surya berbasis virus. Melalui evolusi dan seleksi, kami mengembangkannya dari sel surya berefisiensi 8% ke sel surya berefisiensi 11%.

Saya harap saya telah meyakinkan Anda bahwa ada banyak hal yang besar dan menarik untuk dipelajari tentang bagaimana alam membuat material -- dan membawanya ke tingkat lebih lanjut untuk mengetahui apakah Anda dapat memaksa, atau Anda dapat mengambil keuntungan dari bagaimana alam membuat material, untuk membuat hal yang belum pernah dibuat di alam.

Terima kasih.