안젤라 벨쳐: 배터리를 만들기 위해 자연을 이용하다

오늘 저는 자연이 물질을 만드는 방법에 대해 얘기하려합니다. 여기 전복 조개를 가져왔습니다. 이 전복은 98%가 탄산칼슘이고 2%가 단백질로 이루어진 생-혼합물 입니다. 맞아요, 이 전복은 전복이 있던 곳의 지질학적 상대보다 3000배나 강하죠. 많은 사람들은 전복이나 분필과 같은 구조들을 사용할 지도 모릅니다. 저는 자연이 어떻게 물질을 만드는 지에 완전히 매료되었습니다 자연이 그런 정교한 일을 해내기 위해서는 많은 단계가 있습니다. 그 중 몇가지는 이 물질들이 눈에 보이는 구조이지만, 그것들은 나노크기로 형성된다는 것입니다. 이 물질들은 나노크기로 형성되고, 유전 단계로 암호화된 단백질을 사용하여 굉장히 정교한 구조를 만들게 합니다

제가 매혹적이라 생각하는 것은 만약 배터리나 태양 전지 같이 살아있지 않은 구조들에 삶을 부여할 수 있다면 어떨까요? 만약 그것들에도 전복처럼 어떤 같은 능력이 있다면 어떨까요? 실온과 대기압에서 정말 정교한 구조를 만드는 것이 가능하다면 말입니다. 무독성 화학물을 사용하고 무독성 물질을 환경에 더함과 동시에 말입니다. 이것이 제가 생각해온 비전입니다. 페트리 접시에 배터리를 만들 수 있다면 어떨까요? 또는, 만약 유전 정보를 배터리에 주입해 실제로 시간 함수로써 더 나아질 수 있고, 친환경적으로 해결할 수 있다면 어떨까요?

전복 조개로 돌아가, 나노 구조로 된 것 뿐만 아니라 매력적인 점은 수컷 전복과 암컷 전복이 함께할 때, 그들은 이 유전 정보를 이렇게 전달한다는 것이죠. “이것이 정교한 물질을 만드는 방법이다. 이것이 실온과 대기압에서 하는 방법을 담고 있고, 무독성 물질을 사용한다.” 이곳에 빛나고 있는, 유리같은 구조를 가진 규조류와 같죠. 규조류가 복제할 때마다, 그것은 이렇게 쓰여진 유전 정보를 제공합니다. “이것이 바다에 완벽히 나노 구조로 된 유리를 만드는 방법이다. 그리고 이 방법은 계속 할 수 있다.” 만약 태양 전지나 배터리에 같은 것을 할 수 있다면 어떨까요? 제가 가장 좋아하는 생명체는 저의 4살 배기 자식입니다.

아이를 가져본 분, 또는 아시는 분이라면 아시듯, 아이들은 믿을 수 없을 정도로 복잡한 생명체들입니다. 그리고 만약 여러분이 아이들을 싫어하는 것을 하도록 납득시키려 한다면, 그것은 굉장히 어려운 일입니다. 그러니 우리가 미래 기술에 대해 생각할 때, 우리는 사실 간단한 생명체들인 박테리아와 바이러스를 생각합니다. 여러분은 그들을 새로운 도구 상자와 작업하도록 하여 저에게 중요해질 구조물을 만들게 할 수 있을까요?

또, 미래 기술도 생각해 보세요. 지구의 시작에서 출발해봅시다. 기본적으로, 지구에 생명체가 있기까지 10억년이 걸렸습니다. 그리고 무척 빠르게, 그것들은 다세포생물이 되고, 복제를 할 수도 있고, 에너지 자원을 얻는 방법으로 광합성을 할 수도 있게 되었습니다. 그러나 5억년 전까진 —캄브리아기 동안이죠— 바다 생물들은 단단한 생물들을 만들어내기 시작하지 않았습니다. 그 전에는 모두 부드럽고, 솜털이 덮인 구조였죠. 그 기간 동안 칼슘과 철, 그리고 실리콘이 환경에서 늘어나게 되었습니다. 생물들은 이 단단한 물질들을 사용하는 법을 배웠죠. 그것이 제가 할 수 있게 하고자 하는 것입니다. 생물학이 주기율표의 나머지와 작업하도록 확신시키는 것이죠.

이제 생물학을 들여다보면, 여러분들이 이미 나노 구조로 되어있다고 들은 적이 있을 DNA나 항체, 단백질같은 많은 구조물들이 있습니다. 자연은 이미 우리들에게 나노크기의 복잡한 구조를 제공한 것이죠. 만약 우리가 그것들을 활용해 에이즈 바이러스(HIV)같은 것에 대응하는 항체가 되지 않게 만들려면 어떨까요? 만약 우리가 그것들이 우리에게 태양 전지를 만들게 하면 어떨까요? 몇가지 예가 있습니다. 이것들은 천연 조개입니다.

천연의 생물학적 물질이 존재합니다. 여기에 전복 조개—만약 이것을 깬다면 이것이 나노 구조로 되어있는 것을 볼 수 있습니다. 여기에 이산화 규소로 만들어진 규조는 작고, 방향을 찾는 데 사용되는 단일 도메인으로 된 자석을 만드는 주자성(走磁性)의 박테리아입니다. 이것들의 공통점은 이들이 나노크기로 구조화되어있고, 단백질 서열로 암호화되고, 굉장히 멋진 구조를 만들게 하는 청사진을 제공하는 DNA 단계가 있습니다. 이제 전복 조개로 돌아가서, 전복은 이러한 단백질을 가짐으로써 이런 껍질을 만듭니다. 이 단백질은 음전하로 되어있습니다. 이것들은 환경에서 칼슘을 빼내어, 칼슘과 탄산염 층을 만들고, 또 마찬가지 층을 만듭니다 그것은 아미노산의 화학적 서열을 가지는데 이렇게 되어있습니다. “이것이 구조를 만드는 방법이다.” 여기에 DNA 서열이 있고, 그것을 하기 위한 단백질 서열이 있다." 흥미로운 아이디어는, 만약 여러분이 원하는 아무 물질이나, 주기율표에 아무 원소를 가져다가, 그것이 일치하는 DNA 서열을 찾아, 그에 맞는 단백질 서열로 암호화해서 구조를 만들면— 전복 조개를 만들지는 않고, 자연을 통해, 여지껏 작업해볼 기회가 없었던 어떤 새로운 것을 형성하면 어떻게 될까 하는것입니다.

여기 주기율표가 있습니다. 전 주기율표를 굉장히 좋아하죠. 매년 MIT에 들어오는 신입생들을 위해, 저는 이렇게 쓰여진 주기율표를 만들었습니다. “MIT에 어서오세요. 이제 여러분은 자신의 원소안에 있습니다.” 그것을 집어보면, 각각 다른 전하를 가진 PH를 가진 아미노산이 있습니다. 전 이것을 수천명에게 줍니다. 물론 전 여기에 MIT라고 씌여져 있고, 여기는 Caltech이지만, 원하신다면 여기 더 있습니다. 전 이번 년도에 오바마 대통령께서 MIT에 제 실험실에 방문하시게 되어 행운이었고, 전 그분께 이 주기율표를 드리고 싶었습니다. 그래서 전 밤을 샌 뒤, 제 남편에게 물었습니다. “저기 내가 이 주기율표를 어떻게 대통령께 드릴까?” 만약 그가 이러면 어쩌지? “오, 전 이미 있습니다.” 아니면 “이미 외웠습니다”라고 하면? 대통령께서 제 실험실에 오셔서 둘러보시고 – 그의 방문은 정말 기뻤죠. 그 후 제가 말했습니다. “대통령님, 곤경에 처할 때나 분자량을 계산할 때를 대비해 이 주기율표를 드리고 싶습니다.” 전 그 때 분자량이 물질량보다 덜 따분하게 들릴거라 생각했죠. 그분께서 이러셨습니다. 그분께서 이러셨습니다. “감사합니다. 주기적으로 보도록 하죠.” (하하) (짝짝짝) 후에 그분께서 청정 에너지에 관한 강연을 하실 때, 그것을 꺼내 이러셨죠. “그리고 MIT 사람들은, 제게 주기율표를 주었습니다.”

그러니 기본적으로 제가 말하지 않은 것은 5억년 전, 생물들이 물질을 만들기 시작했으나, 그것을 잘 다루기까진 5천만년이 더 걸렸다는 것입니다. 이 전복 껍질을 완벽히 만들도록 배우는 것이 5천만년이 더 걸린겁니다. 대학원생에겐 어려운 것이죠. “난 대단한 기획이 있어. 5천만년이 걸리는.” 그래서 우리는 이것을 더 빨리 하기 위해 방법을 개발해야 했습니다. 우리는 무독성 바이러스인 M13 박테리오파지를 사용했습니다. 그것은 박테리아를 감염시키죠. 그것은 간단한 DNA 구조를 가져 우리가 그것을 가지고 자르고 추가로 DNA 서열을 붙일 수도 있습니다. 그리고 그것을 함으로써, 바이러스가 무작위의 단백질 서열을 표현하게 합니다.

이것은 꽤 쉬운 생명공학입니다. 이것은 1조번 정도도 할 수 있죠. 또한 유전적으로 동일한 1조개의 다른 바이러스를 만들 수도 있지만, 그것들은 각각의 끝에 있는, 한개의 단백질을 암호화하는 한 서열에 의해 차이점이 생깁니다. 만약 그 바이러스들을 가져다, 액체 한 방울에 주입하면, 그것들이 여러분이 주기율표에 아무 원소와 소통하도록 강요하게 됩니다. 발전을 선택하는 과정을 통해, 여러분이 원하는 것을 하는, 꼭 배터리나 태양 전지를 만드는 것 같은, 바이러스를 하나 뽑을 수도 있게 됩니다.

기본적으로, 바이러스는 스스로 복제하지 못해 숙주가 필요합니다. 한번 1조의 바이러스 중 하나를 찾으면, 그것을 박테리아에 감염시켜, 특정한 서열의 많은 수를 복제 할 수 있게됩니다. 생물학의 또다른 아름다운 것은 그것이 여러분께 멋진 수준의 연결들을 포함하는 정교한 구조를 제공한다는 것입니다. 이런 바이러스들은 길고 가늘어, 우리가 그것들을 이용해 반도체, 또는 배터리를 만드는 물질들을 만들어내게 할 수 있습니다.

이것은 제 실험실에서 저희가 만든 고전력 배터리입니다. 저희는 탄소 나노튜브를 고르기 위해 바이러스를 조작했습니다. 바이러스의 다른 부분은 배터리를 위한 전극 물질을 만들 수 있는 서열를 가지고 있습니다. 그리고 스스로를 집전 장치에 전이합니다. 그리고 선택 진화 과정을 통해, 저희는 형편없는 배터리를 가진 바이러스에서 좋은 배터리를 가진 바이러스로, 현존수준을 넘어서는, 실온에서 만들어진, 기본적으로 벤치 위에 있는 고전력의 바이러스를 가지게 되었습니다. 그 배터리는 백악관에 기자 회견을 위해 보내졌습니다. 여기에 가져왔습니다. 이 케이스 안에 있는 게 보이시죠. 이 LED를 비추고있죠. 이것을 확대해, 프리우스를 달리게 사용할 수 있죠. 그것은 제 꿈이기도 합니다. 바이러스로 달리는 차를 운전하게 하는거죠.

그러나 기본적으로, 1조개의 바이러스 중 하나를 빼낼 수 있죠. 1조개의 바이러스 중 하나를 빼낼 수 있죠. 기본적으로, 실험실안에서 확장을 만들 수 있습니다. 그리고 배터리같은 구조로 자기 조립을 하게 합니다. 촉매제와 함께 이것을 할 수도 있습니다. 이것은 물을 분리하는 광촉매의 예입니다. 그리고 저희가 가능하게 한 것은 바이러스를 조작해 염료를 흡수하는 분자를 가지고 그것들을 바이러스의 표면에 배열해 안테나처럼 작동하게 하고, 우리는 바이러스를 통해 에너지를 전달하는 것입니다. 저희는 유전자가 물이 깨끗한 연료로 사용될 수 있는 산소와 수소로 나뉘게 사용할 수 있는 무기물로 성장하게 잠시 둡니다. 오늘 제가 그 예를 가져왔습니다. 저의 학생들이 잘 될것이라 약속했죠. 이것들은 바이러스가 모은 나노와이어입니다. 이것을 비추면, 거품이 솟는 것을 볼 수 있습니다. 이것을 비추면, 거품이 솟는 것을 볼 수 있습니다. 유전자를 조정함으로써, 여러분의 장치의 수행능력을 향상시키기 위해 다수의 물질을 조정하게 됩니다.

마지막 예는 태양 전지입니다. 태양전지를 사용해 이걸 할 수도 있죠 저희는 바이러스를 조작해 탄소 나노튜브를 골라 이산화티타늄을 그것들 주변에 자라게 할 수 있게되었고, 이것을 장치를 통해 전자를 얻는 방법으로 사용하게 되었습니다. 그리고 저희가 알아낸 것은, 유전자 공학을 통해, 저희가 염료에 민감한 시스템의 종류를 위해 숫자를 기록하는 태양 전지의 효율을 늘리게 되었습니다. 그중 하나를 또 가져와 후에 바깥에서 가지고 놀도록 하겠습니다. 이것은 바이러스 기반의 태양 전지입니다. 진화와 선택을 통해, 저희는 8%의 효율을 가진 태양 전지를 11% 효율로 끌어올리게 되었습니다.

자, 자연이 어떻게 물질들을 만드는지 배우는 것엔 엄청나고 흥미로운 것이 있다고 잘 확인시켜드렸길 바랍니다. 그리고 이것을 다음 단계로 가져가 자연이 물질을 만드는 것에 장점을 얻거나, 조정해 자연이 아직 만들려고 하직 않았던 것을 얻을 수도 있나 보는 거죠.

감사합니다.