Angela Belcher: De natuur gebruiken om batterijen te laten groeien

Ik wil wat vertellen over hoe de natuur materiaal maakt. Ik heb een zeeoorschelp meegebracht. Deze zeeoorschelp is een biocomposietmateriaal dat voor 98 massaprocent uit calciumcarbonaat bestaat en voor twee massaprocent uit eiwit. Toch is het 3.000 keer sterker dan zijn geologische tegenhanger. Veel mensen gebruiken misschien structuren als zeeorenschelpen, als krijt. Ik ben gefascineerd door hoe de natuur materiaal maakt, en er is veel navolging van hoe ze zo'n uitgelezen taak volbrengt. Een onderdeel daarvan houdt in dat dit materiaal een macroscopische structuur heeft, maar op nano-schaal wordt gevormd. Ze zijn op nano-schaal gevormd, en ze gebruiken eiwitten die op genetisch niveau zijn vastgelegd, waardoor ze deze voortreffelijke structuren kunnen opbouwen.

Wat ik erg fascinerend vind, is de vraag of je niet-levende structuren zoals batterijen en zonnecellen een leven kunt geven. Als ze nou eens een paar van de capaciteiten van de zeeoor zouden hebben, zoals in staat zijn om bij kamertemperatuur en normale druk, werkelijk voortreffelijke structuren op te bouwen uit niet-giftige stoffen en zonder giftig materiaal in het milieu te brengen? Dus ik heb over dat visioen nagedacht. Als je nou eens een batterij kon laten groeien in een petrischaaltje? Of als je een batterij genetische informatie kon geven, zodat deze na verloop van tijd steeds beter wordt, en ook nog op een milieuvriendelijke manier?

Om terug te komen op deze zeeoorschelp, naast de nano-structuur is het fascinerend dat als een zeeoormannetje en zeeoorvrouwtje bij elkaar komen, ze genetische informatie uitwisselen die vertelt: "Zo kun je een voortreffelijk materiaal maken. Zo doe je dat bij kamertemperatuur en normale druk, met niet-giftige stoffen." Hetzelfde geldt voor de kiezelwieren hier, die een glasachtige structuur hebben. Telkens als een kiezelwier zich voortplant, geven ze de genetische informatie door die vertelt: "Zo kun je glas maken in de oceaan, met een perfecte nano-structuur. En dat kun je steeds weer opnieuw doen." Als je dat nou eens zou kunnen doen met een zonnecel of een batterij? Ik vertel graag dat mijn favoriete biomateriaal, mijn vier jaar oud kind is.

Iedereen die ooit kleine kinderen heeft gehad of kent, weet dat ze ongelofelijk complexe organismen zijn. Als je ze ervan wilt overtuigen iets te doen waar ze geen zin in hebben, is dat heel moeilijk. Dus als we aan toekomsttechnologieën denken, denken we aan het gebruik van bacteriën en virussen, eenvoudige organismen. Kun je ze overtuigen om een nieuwe gereedschapskist te gebruiken, zodat ze structuren kunnen bouwen, die voor mij van belang zijn?

Ook denken we na over toekomsttechnologieën. We beginnen bij het ontstaan van de aarde. In wezen duurde het een miljard jaar tot er leven was op aarde. Heel snel werd het meercellig, ze konden zich voortplanten, ze konden fotosynthese gebruiken om aan energie te komen. Maar het is hooguit 500 miljoen jaar geleden -- tijdens het geologisch tijdperk Cambrium -- dat organismen in de oceaan harde materialen begonnen aan te maken. Daarvoor waren het allemaal zachte, pluizige structuren. In die tijd was er een verhoogde concentratie calcium en ijzer en silicium in het milieu. Organismen leerden hoe ze harde materialen konden maken. Dat wil ik ook kunnen -- de biologie overtuigen om met de rest van het periodiek systeem te werken.

Als je de biologie bekijkt, zijn er veel structuren waarvan je gehoord hebt, zoals DNA en anti-lichaampjes en eiwitten en ribosomen, die al een nano-structuur hebben. Dus de natuur geeft ons al werkelijk voortreffelijke structuren op nano-schaal. Als we die nou eens konden benutten en ze ervan te overtuigen dat ze geen anti-lichaampje zijn dat iets als HIV doet? Maar als we ze ervan konden overtuigen om voor ons een zonnecel te bouwen? Hier zijn wat voorbeelden: dit zijn natuurlijke schelpen.

Het zijn natuurlijke biologische materialen. De zeeoorschelp hier -- en als je die breekt, zie je dat ze een nano-structuur heeft. Er zijn kiezelwieren die uit siliciumdioxide bestaan, en dat zijn magnetotactische bacteriën, die kleine enkel-domein magneetjes maken, die ze gebruiken voor navigatie. Wat deze allemaal gemeen hebben is dat deze materialen op een nano-schaal zijn gestructureerd. Ze hebben een DNA-sequentie die codeert voor een eiwitsequentie, die hen een blauwdruk geeft om deze wonderlijke structuren zelf te kunnen bouwen. Nu weer terug naar de zeeoorschelp. De zeeoor maakt deze schelp met eiwitten. Deze eiwitten zijn erg negatief geladen. Ze kunnen calcium uit hun omgeving onttrekken, een laagje calcium leggen en dan carbonaat, calcium en carbonaat. Het heeft de chemische volgorde van aminozuren die vertellen: "Zo kun je de structuur opbouwen. Hier is de DNA-sequentie, hier is de eiwitsequentie om het te doen." Dus het is een interessante gedachte, als je elk materiaal dat je wilt kunt kiezen, of elk element uit het periodiek systeem, en er dan de overeenkomstige DNA-sequentie bij zoeken, dan daar de overeenkomstige eiwitsequentie bij coderen, om een structuur op te bouwen, maar geen zeeoorschelp. Bouw dan iets waar de natuur nog nooit mee heeft kunnen werken.

Hier is het periodiek systeem. Ik hou absoluut van het periodiek systeem. Elk jaar heb ik voor de nieuwe studenten, die beginnen op MIT, een periodiek systeem gemaakt met de tekst: "Welkom op MIT. Nu voel je je in je element." Als ik dat omsla, zie je de aminozuren met de zuurgraad waarop ze een andere lading krijgen. Dus ik geef dit mee aan duizenden mensen. Ik weet dat er MIT op staat, en dit hier is Caltech, maar ik heb er een paar extra als iemand ze wil hebben. Ik had veel geluk dat president Obama dit jaar mijn lab bezocht bij zijn bezoek aan MIT. Ik wilde hem echt een periodiek systeem geven. Ik bleef laat op en praatte met mijn man. "Hoe geef ik president Obama een periodiek systeem?" Als hij nou zegt: "O, ik heb er al eentje", of "Dat ken ik al uit mijn hoofd"? Hij kwam mijn lab bezoeken en keek rond -- het was een geweldig bezoek. Aan het einde, zei ik: "Meneer, ik wil u een periodiek systeem geven voor het geval u ooit in de problemen bent en het moleculair gewicht moet kunnen berekenen." Ik vond dat moleculair gewicht minder nerd-achtig klonk dan molmassa. Dus hij keek ernaar, en hij zei: "Dank u. Ik zal er periodiek naar kijken." (Gelach) (Applaus) Later toen hij een lezing over schone energie gaf, haalde hij het tevoorschijn en zei: "En de MIT-mensen delen periodieke systemen uit."

Wat ik jullie niet verteld heb, is dat organismen 500 miljoen jaar geleden begonnen met materialen maken, maar dat het ze 50 miljoen jaar kostte om er goed in te worden. Het kostte ze ongeveer 50 miljoen jaar om het maken van zo'n zeeoorschelp te perfectioneren. Daar heeft een student geen zin in. "Ik heb een geweldig project -- 50 miljoen jaar". Daarom moesten we een manier verzinnen om dit sneller te kunnen doen. Daarom gebruiken we een niet-giftig virus dat de M13 bacteriofaag heet, die als taak heeft om bacteriën te besmetten. Het heeft een eenvoudige DNA-structuur die je kunt bewerken en waar je met cut en paste DNA-sequenties aan kunt toevoegen. Door dat te doen, zorg je dat het virus willekeurige eiwitsequenties voortbrengt.

Dat is erg gemakkelijke biotechnologie. Je kunt dit in feite een miljard keer doen. Je krijgt dan een miljard verschillende virussen die allemaal genetisch identiek zijn, maar ze verschillen van elkaar op basis van die stukjes, op één sequentie die voor één eiwit codeert. Als je nu al die miljard virussen in een druppel vloeistof verzamelt, dan kun je ze dwingen om met het hele periodiek systeem te werken. Via een proces van selectie-evolutie, kun je er net die ene uitpikken die iets doet wat jou bevalt, zoals een batterij of een zonnecel te laten groeien.

Virussen kunnen zichzelf niet vermenigvuldigen. Ze hebben een gastheer nodig. Als je die ene van het miljard hebt gevonden, besmet je er een bacterie mee, en je maakt miljoenen, miljarden kopieën van die specifieke sequentie. Wat verder zo mooi is aan biologie, is dat biologie je werkelijk voortreffelijke structuren geeft met een leuke verbindingsschaal. Deze virussen zijn lang en mager, en we kunnen ze de mogelijkheid geven om zoiets als halfgeleiders te laten groeien of materialen voor batterijen.

Dit is een sterke batterij die we in ons lab lieten groeien. We sleutelden aan een virus om het koolstof nanobuisjes te laten opnemen. Dus één deel van het virus pakt het koolstof nanobuisje. Het andere deel van het virus heeft een sequentie die een elektrode voor een batterij kan laten groeien. Daarna sluit het zichzelf aan op de stroomverzamelaar. Dus met een proces van selectie-evolutie, hebben we een virus dat een zwakke batterij maakte, veranderd in een virus dat een goede batterij maakt. Een virus dat een recordbrekende, sterke batterij maakt op kamertemperatuur, eigenlijk op een werkblad. Die batterij ging naar het Witte Huis voor een persconferentie. Ik heb ze meegebracht. Je ziet in dit geval -- dat doet deze LED oplichten. Als we dit konden opschalen, zou je het kunnen gebruiken om je Prius op te laten lopen. Dat is mijn droom -- om in een virus-aangedreven auto te rijden.

Maar eigenlijk -- je kunt er eentje van het miljard uitpikken. Je kunt er allerlei aanpassingen op aanbrengen. Je maakt een aanpassing in het lab. Daarna laat je het structuren als een batterij zelf in elkaar zetten. We kunnen dit ook doen met katalyse. Dit is het voorbeeld van fotokatalytische splitsing van water. Wat we hebben gedaan, is een virus in elkaar knutselen dat kleurstofabsorberende moleculen pakt, en die opstelt op het oppervlak van het virus. Dus het werkt als een antenne, en je krijgt een energie-uitwisseling over het virus. Dan geven we het een tweede gen, om het anorganisch materiaal te laten groeien, dat gebruikt kan worden om water te splitsen in zuurstof en waterstof, voor schone brandstof. Ik heb vandaag een voorbeeld meegebracht. Mijn studenten beloofden me dat het zal werken. Dit zijn nano-draadjes die door virussen in elkaar zijn gezet. Als je er licht op laat vallen, zie je ze bubbelen. In dit geval zie je zuurstofbelletjes vrijkomen. In feite kun je door de genen te controleren, de vele materialen controleren om de prestaties van je apparaat te verbeteren.

Het laatste voorbeeld zijn zonnecellen. Je kunt dit ook doen met zonnecellen. We hebben virussen ontwikkeld om koolstof nano-buisjes op te halen en daar titaniumdioxide omheen te laten groeien -- en gebruiken als een manier om elektronen door het apparaat te krijgen. We hebben ontdekt dat we met genetische engineering, de efficiëntie van deze zonnecellen laten toenemen tot recordhoogte voor deze types kleurstofgevoelige systemen. Zo een heb ik ook meegebracht. Straks kun je er buiten wat mee spelen. Dit is een op virussen gebaseerde zonnecel. Door evolutie en selectie, hebben we een zonnecel met acht procent efficiëntie tot 11 procent efficiëntie verhoogd.

Dus ik hoop dat ik jullie ervan overtuigd heb dat er een hoop geweldige, interessante dingen te leren zijn over hoe de natuur materialen maakt. Om de volgende stap te nemen om te kijken of je kunt dwingen, of dat je voordeel kunt hebben van hoe de natuur materialen maakt, om dingen te maken waarvan de natuur zelf niet durft te dromen.

Dank je.