Angela Belcher: come usare la natura per far crescere una batteria

Ho pensato di parlarvi un po' di come la natura produca i materiali. Ho portato con me un abalone (haliotis, orecchia di mare). Questo abalone è un materiale biocomposto costituito al 98 per cento della massa da carbonato di calcio e al due per cento da proteine. Eppure, è 3000 volte più duro del suo equivalente geologico. E molte persone usano strutture simili all'abalone, tipo il gesso. Sono rimasta affascinata da come la natura produca materiali, e c'è una lunga sequenza per come fare un lavoro così squisito. In parte il motivo è che questi materiali hanno una struttura macroscopica, ma vengono formati su scala nanometrica. Sono formati su scala nanometrica, e usano le proteine che sono codificate al livello genetico e che permettono di costruire queste strutture davvero raffinate.

Quindi ciò che penso sia molto affascinante è che cosa ne pensate se si potesse dar vita a strutture inanimate come le batterie o le celle solari? E se avessero alcune delle capacità che ha l'abalone, per quanto riguarda l'essere in grado di costruire strutture davvero raffinate a temperatura ambiente e pressione ambiente, usando composti chimici non tossici e senza immettere materiali tossici nell'ambiente? Allora, è questa l'idea su cui ho continuato a riflettere. E se si potesse far crescere una batteria in una capsula di Petri? O se si potesse dare dell'informazione genetica ad una batteria cosicché potrebbe addirittura migliorare nel tempo, e fare ciò in modo sostenibile per l'ambiente?

E quindi, tornando all'abalone, oltre ad essere nano-strutturato, una cosa che è affascinante, è che quando un maschio ed una femmina di abalone di uniscono, inoltrano l'informazione genetica che dice "Ecco come si costruisce un materiale squisito. Ecco come farlo a temperature e pressione ambiente, senza usare materiali tossici." Lo stesso per le diatomee, mostrate qui, che sono strutture vetrose. Ogni volta che le diatomee si replicano, danno l'informazione genetica, la quale dice "Ecco come si costruisce il vetro nell'oceano un vetro che è perfettamente nano-strutturato. E lo si può fare identico ogni volta ripetutamente." E se potessimo fare la stessa cosa per una cella solare o una batteria? Mi piace dirla così, che il mio biomateriale preferito è mio figlio di 4 anni.

Ma chiunque abbia mai avuto, o conosca, dei bambini piccoli sa che sono degli organismi incredibilmente complessi. E quindi se volete convincerli a fare qualcosa che non vogliono fare, è difficilissimo. Quindi quando immaginiamo le tecnologie del futuro, pensiamo davvero di usare batteri e virus, organismi semplici. Riuscite a convincerli a lavorare con una nuova cassetta degli attrezzi, cosicché possano costruire una struttura che sia utile a me?

E poi, pensiamo alle tecnologie del futuro. Ma cominciamo dall'inizio, dai primordi della Terra. Praticamente, c'è voluto un miliardo di anni per avere la vita sulla Terra. E molto rapidamente, gli organismi diventarono multi-cellulari, impararono a replicarsi, a fare la fotosintesi come mezzo di approvvigionamento energetico. Ma non fu prima di 500 milioni di anni fa -- durante il periodo geologico Cambriano -- che gli organismi degli oceani cominciarono a produrre materiali duri. Prima di allora erano tutte strutture molli e soffici. E fu durante questo periodo che la concentrazione nell'ambiente di calcio, ferro e silicio aumentarono. E gli organismi impararono a produrre materiali duri. E quindi è questo quello che vorrei riuscire a fare -- convincere la biologia a lavorare con il resto della tavola periodica.

Ora se date un'occhiata alla biologia, ci sono tante strutture come il DNA e gli anticorpi e le proteine e i ribosomi di cui avete sentito parlare e che sono delle nano-strutture. Quindi la natura ci dà già delle strutture davvero raffinate a livello nanoscopico. E se riuscissimo a sfruttarle e a convincerle non di essere un anticorpo che fa qualcosa come per l'HIV? Ma piuttosto se le potessimo convincere a costruire per noi una cella solare? Ecco qui alcuni esempi: queste sono conchiglie naturali.

Ci sono materiali biologici naturali. Qui l'abalone -- e se lo si rompe, si può notare il fatto che è nano-strutturato. Ci sono diatomee fatte di SiO2 (ossido di silicio), e sono dei batteri magnetotattici che creano piccoli magneti a singolo dominio e li usano per navigare. Ciò che tutti questi hanno in comune è che questi materiali sono strutturati su scala nanometrica, ed hanno una sequenza di DNA che codifica una sequenza proteica, che rappresenta il disegno tecnico, il progetto, con le indicazioni per costruire queste strutture favolose. Ora, tornando all'abalone, l'abalone costruisce la conchiglia grazie a queste proteine. Queste proteine sono fortemente cariche negativamente. E possono estrarre il calcio dall'ambiente, fare uno strato di calcio e poi di carbonato, e poi calcio e carbonato ancora. Ha la sequenza chimica degli amminoacidi che dice: "Ecco come costruire la struttura. Ecco la sequenza di DNA, la sequenza proteica che ti dice come fare." E quindi è interessante l'idea per cui si vorrebbe scegliere un qualsiasi materiale, o un elemento qualsiasi della tavola periodica, e poter trovare la corrispondente sequenza di DNA, quindi codificarla per la sequenza proteica corrispondente per quindi costruire una struttura che non sia la conchiglia dell'abalone -- ma qualcosa su cui la natura non ha ancora mai avuto l'opportunità di lavorarci su.

E allora ecco la tavola periodica degli elementi. E io amo da matti la tavola periodica. Ogni anno, per gli studenti entranti al MIT, faccio fare una tabella periodica che dice "Benvenuto al MIT. Ora sei nel tuo elemento." E se la giri, ci sono gli amminoacidi con il pH a cui hanno cariche diverse. Quindi, la distribuii a migliaia di persone. E lo so che dice MIT, e qui siamo a Caltech, ma ne ho alcune in più se qualcuno le vuole. E sono stata davvero fortunata quest'anno di ricevere il Presidente Obama durante la sua visita al MIT, e volevo proprio dargli una di queste tavole periodiche. E così sono rimasta sveglia la notte prima, e ho chiesto a mio marito "Come faccio a dare la tavola periodica al Presidente Obama? E se dicesse, 'Ah, ne ho già una' oppure 'La so già a memoria'?" Insomma, è venuto a visitare il mio laboratorio ed è stata proprio una bella visita. E dopo, gli ho detto "Signor Presidente, vorrei donarle la tavola periodica, se mai lei dovesse calcolare il peso molecolare in una situazione difficile". E pensai che peso molecolare sembrava molto meno da secchioni che non massa molare. E lui l'ha guardata, e ha detto "Grazie. Ci darò un'occhiata periodicamente." (Risate) (Applausi) E in una lezione sulle energie pulite che fece successivamente, la tirò fuori e disse "E quelli del MIT, distribuiscono tavole periodiche."

Beh, quindi quello che non vi ho detto è che circa 500 milioni di anni fa, gli organismi cominciarono a produrre materiali, ma ci vollero circa 50 milioni di anni affinché diventassero bravi in ciò. Ci vollero circa 50 milioni di anni affinché imparassero come perfezionarsi nel fare l'abalone. E questo fatto non viene visto di buon occhio da uno studente di dottorato. "Ho un progetto fantastico -- 50 milioni di anni." Quindi abbiamo dovuto sviluppare una maniera per provare a far ciò più rapidamente. Quindi usiamo un virus, un virus non nocivo che si chiama batteriofago M13 il cui compito è quello di infettare i batteri. Bene, ha una struttura del DNA semplice che si può manipolare con l'aggiunta di altre sequenze di DNA. E facendo ciò, si dice al virus di esprimere sequenze proteiche a caso.

Tutto ciò e' biotecnologia di base. E si può far ciò praticamente miliardi di volte. Quindi si possono avere un milione di virus diversi che sono geneticamente identici, ma hanno di diverso un pezzetto, una sequenza che codifica una proteina. Ora se si prende questo milione di virus, e lo si mette in una goccia di liquido, li si può forzare ad interagire con qualsivoglia elemento della tavola periodica. E attraverso un processo di evoluzione selettiva, si può estrarre dal mucchio quello che fa quella cosa specifica che si desidera, come crescere un batterio, o una cella solare.

Praticamente, i virus non possono replicarsi da soli, hanno bisogno di un ospite. Una volta trovato quell'uno su un milione, lo si inocula in un batterio, e se ne fanno milioni e miliardi di copie di quella particolare sequenza. L'altra cosa bella della biologia è che la biologia ci dà davvero strutture eccezionali con buone relazioni tra grandezze diverse. E questi virus sono lunghi e sottili, e possiamo far sì che esprimano la capacità di crescere in modo che somiglino ai semiconduttori o ai materiali per le batterie.

Ora questa è una batteria ad alta potenza che abbiamo fatto crescere nel mio laboratorio. Abbiamo progettato un virus che usa i nanotubi di carbonio. Quindi una parte del virus afferra il nanotubo di carbonio. L'altra parte del virus ha una sequenza che può far crescere un materiale che funge da elettrodo per la batteria. E poi crea le connessioni elettriche con il collettore di corrente. E quindi, tramite un processo di evoluzione selettiva, siamo passati dall'avere un virus che costruiva una batteria scadente ad un virus che faveca una buona batteria ad un virus che faceva una batteria ad alta potenza da record, tutto ciò fatto a temperatura ambiente, praticamente sul banco da lavoro. E quella batteria è andata alla Casa Bianca per una conferenza stampa. L'ho portata qui. In questo caso potete vedere che fa accendere un LED. Ora, se potessimo fare lo stesso su scala, si potrebbe usare per far alimentare la vostra Prius, che è il mio sogno -- poter guidare un auto alimentata da virus.

Ma praticamente se ne può selezionare uno su un milione. Se può amplificare per molte volte. Praticamente, si può amplificare in laboratorio. E poi si può fare in modo che si auto-assembli per formare una struttura come una batteria. Riusciamo a far ciò anche con la catalisi. Ecco un esempio di scissione fotocatalitica dell'acqua. E siamo riusciti a progettare un virus che praticamente prende delle molecole che assorbono dei cromofori e le allinea sulla superficie del virus così che funziona da antenna, e si ottiene un trasferimento di energia lungo il virus. Successivamente possiamo dargli un secondo gene per fra crescere un materiale inorganico che può essere utilizzato per la scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno, che si può usare come carburante pulito. E oggi ho portato con me un esempio. I miei studenti mi hanno giurato che funziona. Questi sono dei fili nanometrici assemblati tramite virus. Quando li si espone alla luce, si possono vedere delle bollicine. In questo caso, state vedendo fuoriuscire delle bollicine di ossigeno. E praticamente controllando i geni, si possono controllare molteplici materiali per migliorare le prestazioni del dispositivo.

L'ultimo esempio sono le celle solari. Si può fare lo stesso con le celle solari. Siamo stati in grado di progettare dei virus che prendono i nanotubi di carbonio e poi ci fanno crescere dell'ossidio di titanio intorno -- e usarlo per ottenere elettroni attraverso il dispositivo. E abbiamo scoperto che, attraverso l'ingegneria genetica, possiamo davvero aumentare l'efficienza di queste celle solari fino a valori record per questo tipo di sistemi a pigmenti fotosensibili. E ho portato anche uno di questi con cui dopo ci potete sperimentare all'aperto. Quindi questa è una cella solare fatta con i virus. Attraverso l'evoluzione e la selezione, siamo passati da una cella solare con efficienza dell'8% ad una con efficienza dell'11%.

Quindi spero di avervi convinto che si sono un sacco di cose fantastiche ed interessanti da imparare su come la natura faccia i materiali -- e portando il discorso al livello successivo -- per vedere se si può forzare, o se si può sfruttare il modo in cui la natura fa i materiali, per fare cose che la natura non ha ancora pensato di fare.

Grazie.