Анджела Белчер: используем природу, чтобы растить батарейки

Я немного расскажу о том, как природа делает материалы. Я принесла с собой раковину морского ушка. Эта раковина состоит из биокомпозитного материала. На 98 процентов из карбоната кальция и на два процента из протеина. В то же время, она в 3000 раз прочнее своего геологического аналога. Много людей используют структуры как в этой ракушке, например мел. Я была поражена тем, как природа создает материалы и, есть определенная последовательность того, каким образом они делают такую утонченную работу. Частично потому что эти материалы макроскопические в своей структуре, но формируются они на нано-уровне. Они формируются в масштабе наночастиц и используют протеины, которые кодируются на генетическом уровне, что позволяет им строить такие утонченные структуры.

Я думаю, было бы восхитительно, если бы мы смогли дать жизнь неживым структурам, как батарейки или солнечные элементы? Что, если бы у них были те же способности, как и у раковины морского ушка, то есть они смогли бы строить очень утонченные структуры при комнатной температуре и комнатном давлении, используя нетоксичные химические элементы, и в то же время не производя токсичные элементы в окружающую среду? Это концепция, о которой я думала. И что, если бы вы могли вырастить батарейку в чашке Петри? Или, что если бы вы смогли передать генетическую информацию батарейке так, чтобы она стала дольше работать и не загрязнять окружающую среду?

Итак, возвращаясь к раковине морского ушка, кроме того, что она является нано-структурой, еще одна захватывающая вещь - это когда мужская и женская особь встречаются, они передают генетическую информацию, которая говорит: "Вот так нужно строить такой сложный материал. Вот так делать его при комнатной температуре и давлении, используя нетоксичные материалы." То же самое с диатомеями, которые показаны вот здесь и являются структурами из стекла. Каждый раз, когда диатомеи воспроизводятся, они передают генетическую информацию, которая говорит "Вот так строится стекло в океане, которое является идеальной нано-структурой. И ты можешь повторить это снова и снова". А что если можно сделать то же самое с солнечным элементом или батарейкой? Мой любимый биоматериал - это мой четырехлетний ребенок.

Но все, кто имел дело с маленькими детьми, знают, что они - невероятно сложные организмы. И если вы хотите уговорить их делать то, что они не хотят - это очень сложно. Поэтому, когда мы думаем о технологиях будущего, мы думаем об использовании бактерий или вирусов - простых организмов. Могу ли я уговорить их работать с новыми инструментами, чтобы они смогли строить структуры, нужные мне.

Мы, конечно, думаем о будущих технологиях. Мы начнем с возникновения Земли. Понадобился примерно миллиард лет, чтобы на Земле зародилась жизнь. И очень скоро, она стала многоклеточной, организмы смогли воспроизводиться, использовать фотосинтез, как источник энергии. Однако, только около 500 миллионов лет назад - во время кембрийского геологического периода - эти организмы в океане стали делать твердые материалы. До этого они все были мягкими, слабыми структурами. Именно в это время количество кальция, железа и кремния в окружающей среде увеличилось. И организмы научились делать твердые материалы. Это то, что я хотела бы научиться делать - убедить биологию работать с остальной периодической таблицей.

Если вы взглянете на биологию, то здесь существует много структур, таких как ДНК, антитела, протеины и рибосомы, о которых вы слышали, которые и так являются нано-структурами. То есть природа уже дает нам очень сложные структуры в масштабе наночастиц. Что, если бы смогли запрячь их и убедить их не быть антителами, которые, например, вызывают ВИЧ? Что, если бы мы смогли убедить их построить для нас солнечный элемент? Вот несколько примеров: несколько естественных раковин.

Естественный биологический материал. Вот раковина морского ушка, если вы ее разломите, то увидите что это нано-структура. Здесь есть диатомеи, сделанные из кварца, и бактерия-магнетотактик, которая делает одиночные магниты, используемые для навигации. Общее у них то, что все эти материалы состоят из нано-структур. Последовательность их ДНК кодирует последовательность протеинов, которая передает им шаблон, по которому они могут строить эти великолепные структуры. Теперь, возвращаясь к раковине морского ушка, морское ушко делает раковину, используя эти протеины. Эти протеины очень отрицательно заряжены. Они собирают кальций из окружающей среды, складывают слоями кальций и карбонат, кальций и карбонат. Существующая химическая последовательность аминокислот говорит: "Вот так нужно строить структуру. Вот последовательность ДНК и последовательность протеинов, и их порядок." А что, если бы можно было сделать любой материал или элемент из периодической таблицы и найти соответствующую последовательность ДНК, потом закодировать соответствующую последовательность протеинов, чтобы построить структуру, но не раковину, а что-то, с чем природа еще не имела возможности поработать.

Это периодическая таблица. Я обожаю периодическую таблицу. Каждый год для первокурсников в MIT (Массачусетский технологический институт), у меня есть периодическая таблица, на которой написано: "Добро пожаловать в MIT. Теперь вы в своей стихии". На обратной стороне есть аминокислоты и PH при котором они имеют разные заряды. Я раздаю ее тысячам людей. Я знаю, на ней написано MIT, а мы в Caltech (Калифорнийский технологический институт), но у меня есть пара штук, если кто-то захочет. Мне очень повезло, президент Обама посетил мою лабораторию в этом году, когда приезжал в MIT, и мне очень хотелось дать ему периодическую таблицу. Я не спала всю ночь и говорила своему мужу: "Как я дам президенту Обаме периодическую таблицу? А если он скажет, что у него уже такая есть или что он уже и так ее запомнил?" В общем, он пришел в мою лабораторию - это был великолепный визит. После всего, я сказала, "Сэр, я бы хотела дать вам периодическую таблицу, если вдруг вам понадобиться сосчитать молекулярный вес". И я подумала, что молекулярный вес звучит менее занудно, чем молярная масса. Он посмотрел на нее и сказал: "Спасибо. Я буду периодически на нее посматривать". (Смех) (Аплодисменты) Позже, в своей лекции по чистой энергии, он достал ее и сказал, "И люди в MIT, они раздают периодический таблицы".

Я вам еще не сказала, что около 500 миллионов лет назад организмы начали делать материалы, но им понадобилось 50 миллионов лет, чтобы усовершенствовать их. Им понадобилось 50 миллионов лет, чтобы научиться делать такую раковину. Такой рекламой сложно заинтересовать аспиранта. "У меня есть великолепный проект - 50 миллионов лет". Поэтому нам пришлось придумать способ, чтобы ускорить этот процесс. Мы использовали нетоксичный вирус, который называется М13 - бактериофаг, чья работа - инфицировать бактерии. У него очень простая последовательность ДНК, поэтому ему можно вставить дополнительную ДНК последовательность. Это позволяет вирусу создавать произвольную последовательность протеинов.

И это очень простая биотехнология. Можно повторять это миллиард раз. Следовательно, можно получить миллиард разных вирусов, которые генетически идентичны, но различаются друг от друга одной последовательностью, которая кодирует один протеин. Теперь, если мы возьмем миллиард вирусов и поместим их в одну каплю жидкости, мы сможем заставить их взаимодействовать с любым элементом периодической таблицы. И путем выборочной эволюции, мы можем выбрать из миллиарда один, который сделает то, что ты захочешь, например, вырастит батарейку или солнечный элемент.

Вирусы не могут сами воспроизводиться, им нужен носитель. Когда мы находим этот один из миллиарда, мы инфицируем бактерию и делаем миллионы и миллиарды копий этой конкретной последовательности. Еще одна замечательная вещь в биологии - она дает очень утонченные структуры с замечательными связями. Эти вирусы длинные и тонкие и мы можем заставить их выращивать, например, полупроводники или материал для батареек.

Это высоко-мощная батарейка, которую мы вырастили в моей лаборатории. Мы разработали вирус, который подбирает нанотрубки. Одна часть вируса берет углеродную нанотрубку. У другой части есть последовательность, которая может вырастить электродный материал для батарейки. После этого он прикрепляется к токоприемнику. И через процесс выборочной эволюции, мы пришли от вируса, который сделал второсортную батарейку к вирусу, который сделал хорошую батарейку, а потом к вирусу, который сделал очень мощную батарейку. Все они были сделаны при комнатной температуре, фактически на обычном столе. И эта батарейка ездила в Белый Дом на пресс-конференцию. Я принесла ее сюда. Сейчас она подсвечивает LED лампочку. Если мы сможем изменить масштаб, то вы бы смогли использовать ее, чтобы ездить на своей Toyota Prius, Это моя мечта - ездить на машине, заряженной вирусом.

По существу, мы выбираем один из миллиарда. А потом копируем много раз. Копирование происходит в лаборатории. А потом они самособираются в такую структуру, как батарейка. Мы также смогли сделать это с катализом. Вот пример расщепления воды с помощью фото катализа. Мы смогли разработать вирус, который фактически окрашивает молекулы и выстраивает их на поверхности вируса и они работают как антенна, которая распределяет энергию по вирусу. После этого мы даем ему второй ген, который позволяет растить неорганический материал, использующийся для расщепления воды на кислород и водород, который может быть использован как чистое топливо. Я принесла сюда образец. Мои студенты пообещали, что он будет работать. Эти нано-провода собраны вирусом. Если на них посветить, можно увидеть пузырьки. В данном случае пузырится выходящий кислород. Контролируя эти гены, мы можем контролировать несколько материалов, чтобы улучшить работу устройства.

Последний пример - это солнечные элементы. Можно поступить точно так же с солнечными элементами. У нас получилось вырастить вирусы, которые подбирают углеродные трубки и потом выращивают диоксид титана вокруг них, чтобы можно было пропускать электроны через устройство. Мы обнаружили, что с помощью генной инженерии можно увеличить эффективность этих солнечных элементов до рекордных показателей для такого вида светочувствительных систем. Я также принесла сюда один экземпляр. С ним можно ознакомиться после. Это солнечный элемент на основе вируса. С помощью эволюции и отбора, мы смогли увеличить эффективность с 8 процентов до 11 процентов.

Надеюсь, я вас убедила, что еще очень много интересного можно узнать о том, как природа создает материалы и подняться на следующую ступеньку, чтобы увидеть, сможем ли мы воспользоваться знанием того, как природа делает материалы, чтобы создать то, о чем природа еще и не мечтала.

Спасибо.