Anđela Belčer: Korišćenje prirode za uzgoj baterija

Mislila sam da govorim o tome kako priroda stvara materijale. Donela sam jednu abalon školjku. Ona je biokompozitni materijal, čija je masa sastavljena od 98 odsto kalcijum karbonata i 2 odsto proteina. Pa ipak, 3000 puta je jača od svog geološkog duplikata. Mnogi ljudi mogu koristiti strukture poput abalon školjke, kao što je kreda. Bila sam fascinirana načinom na koji priroda stvara materijale, a postoji i mnogo nizova u načinu na koji ona vrši takav izuzetan posao. Jedan deo ovoga jeste da su ovi materijali po strukturi makroskopski, međutim formirani su na nano skali. Formirani su na nano skali i koriste proteine koji su šifrirani na genetskom nivou da bi im dozvolili da izgrade ove zaista izvrsne strukture.

Fascinira me pomisao da bismo mogli da podarimo život neživim strukturama, poput baterija i solarnih ćelija. Šta ako bi oni imali neke od sposobnosti koje abalon školjka ima, u pogledu mogućnosti da izgradi veoma izvrsne strukture, na sobnoj temperaturi i sobnom pritisku koristeći netoksične hemikalije i ne ispuštajući ikakve toksine u životno okruženje? To je vizija o kojoj sam razmišljala. Šta ako bismo mogli da uzgojimo bateriju u Petrijevoj šolji? Ili, šta ako bismo mogli bateriji da damo genetsku informaciju tako da zapravo postane bolja u smislu njenog životnog veka, a da to uradimo na način koji je prijateljski prema okruženju?

Vratimo se sada na ovu abalon školjku, osim što je nano strukturisana jedna stvar koja je fascinantna je da kada se muška i ženska abalon školjka nađu zajedno one prenose genetske informacije koje kažu: "Ovako se izgrađuje jedan izvrstan materijal. Ovako se to radi na sobnoj temperaturi i pritisku, korišćenjem netoksičnih materijala". Isti je slučaj i sa silikatnim algama, staklaste strukture, prikazane upravo ovde. Svaki put kada se ove alge kopiraju, daju genetsku informaciju koja kaže: "Evo kako da u okeanu izgradite staklo koje je savršene nano strukture. Ovo možete da ponavljate, iznova i iznova". Šta ako biste mogli da uradite istu stvar sa solarnom ćelijom ili baterijom? Volim da kažem da je moj omiljeni biomaterijal moj četvorogodišnjak.

Svako ko je čuo ili zna malu decu, zna da su oni neverovatno složeni organizmi. Ako biste želeli da ih ubedite da urade nešto što oni ne žele, to je veoma teško. Kada mislimo o budućim tehnologijama zapravo mislimo na upotrebu bakterija i virusa, jednostavnih organizama. Možete li ih ubediti da rade sa novim alatom, tako da mogu izgraditi strukturu koja će za mene biti značajna?

Takođe, kada mislimo o budućim tehnologijama, počinjemo sa početkom Zemlje. U osnovi, bilo je neophodno milijardu godina da se stvori život na Zemlji. Ubrzo su nastali višećelijski organizmi, mogli su da se reprodukuju, da koriste fotosintezu kao način dobijanja energetskog izvora. Ali do pre 500 miliona godina -- tokom geološkog perioda Kambrijuma -- organizmi u okeanu nisu mogli da formiraju čvrste materijale. Pre toga, svi su bili mekane, paperjaste strukture. Tokom ovog perioda postojale su uvećane količine kalcijuma, gvožđa i silikona u životnom okruženju i organizmi su naučili kako da naprave ove čvrste materijale. To je ono što bih volela da mogu da uradim -- da ubedim biologiju da sarađuje sa ostatkom periodnog sistema elemenata.

Sada, ako pogledate biologiju, videćete mnoge strukture poput DNK i antitela i proteina i ribozoma za koje ste čuli, a koji su već nano strukturirani. Dakle, priroda nam već daje zaista izvrsne strukture na nano skali. Šta ako bismo mogli da ih iskoristimo i ubedimo ih da ne budu antitela koja se bave nečime poput HIV-a? Ali šta ako bismo mogli da ih ubedimo da za nas izgrade solarnu ćeliju? Evo nekih primera: ovo su neke od prirodnih školjki.

Postoje prirodni, biološki materijali. Ova abalon školjka ovde -- ako je polomite, možete videti da je zapravo nano strukturirana. Ima silikatnih algi koje su napravljene od silikon dioksida, i one su magnetotaktične bakterije koje stvaraju male magnete u jednom području radi navigacije. Ono što im je svima zajedničko jeste da su svi ovi materijali strukturisani na nano skali, i imaju DNK niz koji šifrira proteinski niz i daje im šemu da bi mogle da naprave ove zaista divne strukture. Sada, vratimo se na abalon školjku, koja stvara svoju ljušturu od ovih proteina. Ovi proteini su jako negativno naelektrisani. Mogu da privuku kalcijum iz okruženja, deponuju sloj kalcijuma onda karbonata, kalcijuma pa karbonata. Ima hemijske nizove amino kiselina, koje kažu, "Evo kako da izgradite tu strukturu. Evo DNK niza, evo proteinskog niza da biste ih napravili". Jedna interesantna ideja je, šta ako biste mogli da uzmete koji god materijal poželite, ili bilo koji element periodnog sistema elemenata, i da nađete njegov odgovarajući DNK niz, onda ga šifrirate za odgovarajući proteinski niz da biste izgradili strukturu, ali ne abalon školjku -- da biste izgradili nešto sa čime do sada nisu imali prilike da rade kroz prirodu.

Ovo je periodni sistem elemenata. Ja ga apsolutno obožavam. Svake godine za brucoše na Masačusetskom tehnološkom institutu imam periodni sistem koji kaže: "Dobrodošli na MTI. Sada ste u svom elementu". Ako ga okrenete, videćete amino kiseline sa pH na kome prolaze kroz različite promene. Ovo podelim hiljadama ljudi. Znam da piše MTI, a da je ovo Kaltek, ali imam nešto viška za ljude koji ih žele. Bila sam veoma srećna kada je predsednik Obama posetio moju laboratoriju ove godine tokom njegove posete MTI-u, i zaista sam želela da mu dam periodni sistem elemenata. Ostala sam budna celu noć i pričala sam sa svojim mužem, "Kako da dam predsedniku Obami periodni sistem? Šta ako kaže: "Oh, već imam jedan", ili: "Već sam ga zapamtio"? (Smeh) I tako je on došao da poseti moju laboratoriju i razgledao je okolo -- bila je to sjajna poseta. Nakon toga, rekla sam, "Gospodine, želela bih da vam dam periodni sistem u slučaju da ste ikada u teškoj situaciji i treba da izračunate molekularnu težinu". Mislila sam da molekularna težina zvuči manje štreberski od molarne mase. On ga je pogledao i rekao: "Hvala Vam. Pogledaću ga periodično". (Smeh) (Aplauz) Kasnije ga je, u lekciji koju je držao na temu čiste energije, izvukao i rekao: "A ljudi na MTI-ju, oni dele periodne sisteme".

Ono što vam nisam rekla je da su pre oko 500 miliona godina, organizmi počeli da stvaraju materijale, ali im je bilo neophodno oko 50 miliona godina da bi postali dobri u tome. I trebalo im je 50 miliona godina da bi usavršili stvaranje te abalon školjke. Maturante je teško ubediti u ovo. (Smeh) "Imam ovaj izvanredan projekat -- 50 miliona godina." Morali smo da razvijemo način da pokušamo da uradimo ovo brže. Tako koristimo viruse, tj. netoksične viruse nazvane M13 bakteriofazi čiji je posao da zaraze bakteriju. Ima jednostavnu DNK strukturu koju možete iseći i na nju nalepiti dodatne DNK nizove. Radeći ovo, dozvoljavate virusu da izrazi različite proteinske nizove.

Ovo je veoma laka biotehnologija. Ovo doslovce možete uraditi milijardu puta. Tako, imate milijardu virusa koji su genetski isti, ali koji se malo razlikuju međusobno na vrhovima, na jednom nizu koji šifrira jedan protein. Ako uzmete milijardu virusa i stavite ih u jednu kap tečnosti možete ih naterati da reaguju sa bilo čime iz periodnog sistema. Procesom selektivne evolucije možete izvući jednog iz milijarde koji će da radi tačno ono što biste želeli, kao na primer, da uzgoji bateriju ili solarnu ćeliju.

U osnovi, virusi ne mogu da se razmnožavaju, treba im domaćin. Jednom kada nađete tog jednog u milijardi, zarazite bakteriju njime i stvorite milione i milijarde kopija upravo tog niza. Druga stvar koja je divna u vezi sa biologijom jeste što vam biologija pruža izvanredne strukture sa veoma finim vezama skala. Ovi virusi su dugi i mršavi, i možemo ih naterati da izraze sposobnost izgradnje nečega poput poluprovodnika ili materijale za baterije.

Ovo je baterija visokog napona koju sam uzgojila u laboratoriji. Napravili smo virus koji može da podigne ugljenične nano cevčice. Dakle, jedan deo virusa podigne ugljeničnu nano cevčicu. Drugi deo virusa ima niz koji može da izgradi elektrodu za bateriju. Onda se poveže za kolektor struje. Tako, kroz proces selektivne evolucije, smo napredovali od virusa koji je mogao da napravi jadnu bateriju, preko virusa koji može da napravi dobru bateriju, do virusa koji je napravio jaku bateriju, koja obara rekorde, a sve ovo je napravljeno na sobnoj temperaturi, praktično na radnoj površini. Ta baterija je poslata u Belu kuću, na konferenciju za štampu. Ja sam je donela ovde. Ovde je možete videti kako osvetljava ovu "LED" diodu. Ako bismo mogli da odmerimo ovo, mogli biste da je koristite za pokretanje vašeg Prijusa, što je moj san -- da vozimo automobile pokrenute virusima.

U osnovi -- možete da dobijete jednog u milijardi. Možete napraviti puno pojačanja na ovome. U osnovi, možete napraviti pojačanje u laboratoriji i možete je naterati da se sama sastavi u strukturu nalik bateriji. U mogućnosti smo da ovo uradimo i sa katalizom. Ovo je primer fotokatalitičkog razdvajanja vode. Ono što smo u mogućnosti da uradimo je da napravimo virus koji može da uhvati molekule koji vezuju boju i poređa ih po površini virusa tako da se ponašaju kao antena, a vi dobijete protok energije preko virusa. Onda mu damo još jedan gen da bi uzgojio neorganski materijal koji se može koristiti da razdvoji vodu na kiseonik i vodonik koji se mogu upotrebiti za čista goriva. Danas sam sa sobom donela jedan primerak. Moji studenti su mi obećali da će raditi. Ovo su nano žice sastavljene uz pomoć virusa. Kada ih obasjate svetlošću, vidite kako se formiraju mehurići. U ovom slučaju, vidite mehuriće kiseonika kako izlaze. U osnovi, kontrolišući gene, možete kontrolisati mnogo materijala da biste unapredili učinak vašeg uređaja.

Poslednji primer su solarne ćelije. Ovo takođe možete uraditi sa solarnim ćelijama. Možemo da napravimo viruse koji podižu ugljenične nano cevčice i onda uzgoje titanijum-dioksid oko sebe -- i koriste ga kao način da pokrenu elektrone kroz uređaj. Ono što smo otkrili jeste da kroz genetski inženjering, zapravo možemo povećati učinak ovih solarnih ćelija do rekordnih brojeva za ove tipove sistema osetljivih na boje. Donela sam i jednu od njih takođe sa kojom posle možete da se igrate napolju. Dakle, ovo je solarna ćelija zasnovana na virusima. Kroz evoluciju i selekciju došli smo od solarne ćelije sa učinkom od 8 odsto do solarne ćelije sa učinkom od 11 odsto.

Nadam se da sam vas ubedila da postoji mnogo velikih, interesantnih stvari koje se mogu naučiti o proizvodnji materijala -- i dovođenja proizvodnje na sledeći nivo da bismo videli da li možete da prisilite ili da li možete da iskoristite prednost načina na koji priroda stvara materijale, da biste stvorili materijale o kojima priroda još i ne sanja.

Hvala vam.