Angela Belcher: Pil üretmek için doğayı kullanmak

Doğanın nasıl materyal yarattığı hakkında konuşabileceğimi düşündüm. Yanımda bir deniz kulağı kabuğu getirdim. Bu deniz kulağı kabuğu kütlece %98 kalsiyum karbonat ve %2 protein içeren bir biyokompozit. Yine de jeolojik benzerlerinden 3000 kat daha dayanıklı. Ve birçok insan deniz kulağı kabukları gibi yapıları tebeşir gibi kullanabilirler. Doğanın malzemeleri nasıl yaptığına hayran olmuştum, ve bu hassas işi nasıl yaptıklarına dair bir sürü sekans var. Mesela bu malzemeler yapısal olarak makroskobikler, ama nano ölçekte oluşmuşlar. Nano ölçekte oluşmuşlar, ve onlara bu hassas yapıları oluşturmalarına yardım edecek genetik seviyede kodlanmış proteinleri kullanıyorlar.

Ve büyüleyici bulduğum birşey şu ki ya bataryalar ve güneş pilleri gibi cansız yapılara yaşam verebilseydiniz? Ya deniz kulağı kabuğunun yapabildiği gibi ,yapabilmek derken, oda sıcaklığında ve basıncında hassas yapılar oluşturmak için toksik olmayan kimyasalları kullanıp ve toksik olmayan malzemeleri tekrar doğaya salabilselerdi? Bu benim düşündüğüm bir görüştü. Ya bir petri kabında pil yetiştirebilseydiniz? Ya da, ya bir pile genetik bilgi verebilseydiniz ve böylece zamanın bir fonksiyonu olarak daha iyi olabilirdi, ve bunu çevre dostu olacak şekilde yapabilseydiniz?

Ve böylece, tekrar deniz kulağı kabuğuna dönersek nano ölçekte olmasının yanı sıra büyüleyici olan bir diğer özelliği, bir erkek ve dişi deniz kulağı yan yana geldiğinde, birbirlerine "Bu hassas bir yapı oluşturmanın yoludur. Oda sıcaklığı ve basıncında işte böyle yaparsın, toksik olmayan malzemeler kullanarak." diyen genetik bilgiyi aktarırlar. Diatomlarda da aynı, ki burada camdan yapılar olarak gösteriliyorlar. Diatomlar her çoğaldığında birbirlerine "İşte mükemmel bir nano-yapıda bir camı okyanusta inşa etmenin yolu budur. Ve bunu aynı şekilde tekrar tekrar yapabilirsin." diyen genetik bilgiyi aktarırlar. Yani ya aynı şeyi bir güneş pili ya da bataryada da yapabilseydiniz? Favori materyalimin 4 yaşımdaki halim olduğunu söylemek istiyorum.

Çocuğu olanlar, ya da tanıyanlar onların inanılmaz karmaşık organizmalar olduğunu bilir Ve onları yapmak istemedikleri birşeyi yapmaya ikna etmek isterseniz, bu çok zordur. Gelecekteki teknoloji hakkında düşündüğümüz zaman aslında bakteri ve virüsü kullanmayı düşünüyoruz, basit organizmaları. Onları benim için önemli olacak bir yapı oluşturmaları için çalışmaya ikna edebilir misiniz?

Aynı zamanda, gelecekteki teknolojiyi düşünürken, Dünya'nın başlangıcıyla başlıyoruz. Temelde, Dünya'da yaşamın oluşması bir milyar yıl aldı. Ve büyük bir hızla, çok hücreli oldular, çoğalabiliyorlardı, enerji kaynaklarını elde etmek için fotosentezi kullanabiliyorlardı. Ama bu 500 milyon yıl öncesine kadar gerçekleşmedi -- Kambriyen jeolojik zaman süreci boyunca -- okyanustaki bu organizmalar sert malzemeler üretmeye başladılar. Yumuşak ve kabarık olmadan önce. Ve bu zaman boyunca doğada kalsiyum, demir ve silikon artışı oldu. Ve organizmalar nasıl sert malzemeler yapacaklarını öğrendiler. İşte benim yapabilmeyi istediğim şey bu -- biyolojiyi periyodik tablonun geri kalanıyla çalışmaya ikna edebilmek.

Şimdi, eğer biyolojiye bakarsanız, DNA, antikorlar, proteinler ve ribozomlar gibi var olduğunu bildiğiniz şeyler zaten nano-ölçekte. Yani doğa bize nanoölçekteki hassas yapıları zaten veriyor. Acaba onlari HIV gibi bir antikor olmadiklarina ikna etsek nasil olurdu? Yada onlari bizim icin gunes pilleri yapmaya ikna etsek? iste burada bazi ornekler var: Bunlar dogal kabuklar.

bunlar dogal biyolojik maddeler Deniz kulagu kabuklari burda- ve eger kirabilirseniz bunlarin gercekte nano olcekli yap[lar oldugunu goreceksiniz. bunlar SiO2 (silica) dan yapilmis diatomlar ve bunlar yon bulmak icin kucuk, tek alanli miknatislar yapan magnetotactic bakteriler bunlarin sahip olduklari ortak sey ise butun bu yapilarin ve mlzemelerin nano olcekte olmasi ve protein dizisi uretmek icin bir DNA dizisine sahip olmalari Bu DNA dizisi onlara bu mukemmel yapilari insa etmek icin gerekli plani sagliyor. Simdi, deniz kulagi kabuguna geri donelim, deniz kulagi bu proteinle sayesinde bu kabugu yapabiliyor. Bu proteinler eksi yukle yuklenmis. ve cevredeki kalsiyumu (Ca +2) kendilerine cekebilyorlar bir sira kalsiyum, bir sira karbonat koyuyorlar, kalsiyum ve karbonat ve bu sekilde devam ediyor. onun amino asitlerinin kimyasal sirasi ona "iste kabugu bu sekilde yapacaksin" diye soyluyor. Yapman icin iste DNA dizilisi, iste protein dizilisi. Ve boylece baska bir ilginc fikir olusuyor, Acaba istediginiz herhangi bir maddeyi yada periodik tabladaki herhangi bir elementi alip ona ait DNA dizilisini bulsak ve bu dizilisile ona maddeye ait protein dizilisini kodlasak, ve boylece deniz kulagindan baska bir yapi olustursak doğa yoluyl daha once hic calisilma firsati olmamis baska birsey insa etsek.

Ve burda periyodik tablo var. Ben periyodik tabloyu kesinlikle cok seviyorum. Her sene MIT ye yeni gelen ogrenciler icin soyle diyen bir periyodik tablo hazirladim: MIT ye hosgeldiniz. Simdi elementinizlesiniz. ve tabloyu dondurduklerinde degisik PH degerliklerindeki degisik elektrik yuklu aminoasitkeri goruyorlar. bunu simdiye kadar binlerce ogrenciye dagittim. Biliyorum burasi Caltech, ve biliyorum tablonun uzerinde MIT yaziyor ama isteyen olursa yanimda fazladan bir kac tane var. bu yil Baskan Obama MIT i ziyaret ettigi sirada benim labaratuarimi ziyaret ettigim icin gercekten cok sansliydim. Ve O'na gercekten bir periyodik tablo hediye etmek istiyordum. Bunu butun gece dusundum, esimle konustum "Baskan Obama'ya periyodik tabloyu nasil verebilirim?" Ya " aa ben de bir tane var" derse yada "ben onu zaten ezbere biliyorum" derse? Ve ziyaret zamani geldi gercekten cok guzel bir ziyaretti ve sonra ben soyle dedim "Efendim, Eger zor durumda kalir ve molekül ağırlığıni hesap etme ihtiyaciniz olur diye size periyodik tablo vermek istiyorum. " molekül ağırlığın mol agirligina gore daha az inek olur diye dusundum. Baskan tabloya bakti ve soyle dedi: "tesekkur ederim, periyodik olarak kullanicam" (Gulusmeler) (Alkis) Daha sonra temiz enerji konusunda bir konusma yapti ve ona verdigim periodik tabloyu cikartip: "MIT deki insanlar periyodik tablo veriyor" dedi.

Yani temel olarak size soylemedigim su ki Organizmalarin maddeleri yapmaya baslamasi yaklasik 500 milyon yil once fakat bu iste iyi olmalari onlarin 50 milyon senelerini almis. Organizmalar 50 milyon senelerini mukemmel bir deniz kulagi yapmayi ogrenmek icin vermisler. ve bunu bir yuksek lisans ogrencisine anlatmak cok zor. "Senin icin mukemmel bir projem var-50 milyon senelik" iste bu yuzden bizim bunu daha cabuk yapavak bir yol gelistirmemiz gerekli. bu yuzden biz non-toxic M13 bakteriofaj denilen ve gorevi bakteriyi enfekte etmek olan bir virus kullaniyoruz. onun basit bir DNA yapisi var ve siz baska DNA dizilerini onun DNA sina kesip yapistirabiirsiniz. Bu sekilde virus rastgele protein dizilerini nakil edebilir.

bu cok basit bir biyoteknoloji. Ve bunu isterseni milyarlarca kere yapabilirsiniz. Buna devam ediyorsunuz ve genetik yapisi ayni olan milyarlarca virus elde ediyorsunuz.. fakat sadece bir protein dizilisini saglayan kodlari farkli. simdibu milyarlarca virusu bir damla sivinin icine koysak onlari periyodik tabla uzerindeki istediginiz herhangi bir element ile etkilesmeye zorlayabilir ve seleksiyon evriminin isleyisine gore sizin hosunuza giden bir tanesini bu milarlarca virusun icinden cekip alabiliriz. bu sanki bir pil yada gunes pil yetistirmeye benziyor.

basitce, virusler kendi kendilerine cogalamazlar. onlara bir ev sahibi gereklidir. Ne zaman aradiginiz isi yapan virusu bir milyarin icinde buldunuz onu bir bakteriye enfekte edersiniz. ve ondan belli dizilisi olan milyonlarca ve milyarlarca kopya elde etmis olursunuz. Biolojinin diger bir guzelligi de size gercekten cok zarif yapilari uygun olcekteki baglantilari ile verir. bu virusler uzun ve ince bu ozelliklerini yariiletken maddeler yada piller icin materyeller elde etmekte kullanabiliriz.

Iste bu gordugunuz laboratuvarda urettigimiz yuksek guclu bir pil. bir virusu karbon nanotupleri tutan bir muhendis haline getirdik. yani virusuun bir kismi karbon nanotubleri tutarken diger kismi pil icin gerekli materyeli uretecek diziye sahip. materyal buyudukce akim iletkeninin uzerinde bir tel seklini aliyor secici evrim sayesinde siradan bir pil insa eden virusten kaliteli pil, yuksek guce sahip pil yapabilen bir virus elde ettik. ve bunlarin hepsi basit bir laboratuar tezgahinda ve oda sicakliginda yapildi. Bu yaptigimiz pil, Beyaz Sarayi bir basin toplantisi icin ziyaret etti. onu buraya da getirdim. iste bu gordugunuz LED isigini calistiran pil o pil. Eger bunun olculerini degistirirsek bunu Prius da (Toyota prius hibrid araba) kullanabilecesiniz ki virus gucu ile calitirilan bir araba benim hayallimdi.

ama bu basitce milyarda birini cekip cikarmak. Bunu birçok ilâvelerle yapabilirsiniz. bu ilaveleri laboratuarda yapmaniz mumkun. daha sonra bu yapiyi birlestirip pil seklini veriyorsunuz. Bunu katalizorlerle de yapmaniz mumkun bu ornekte gordugunuz gibi bu suyun fotokatalik parcalanmasi. bunu su sekilde yapmayi basardik: virus boya emen molekulleri tutmasi icin dizayn edildi. ve bu molekuller virusun uzerine dizildi ve anten gibi davrandi boylece virus uzerinden enerji transferini sagladik. ve viruse suyu hidrijen ve oksijene ayiracak inorganik materyeli olusturmasi icin ikinci bir gen verdik. bu yapi temiz yakitlar icin kullanilabilir. Buraya bir ornegini getirdim. Ogrencilerim bana calisacagina dair soz verdiler. bunlar viruslerden olusmus nanoteller. uzerlerine isik tuttugumuda baloncuklar cikardiklarini goreceksiniz. oksiyen gazi olusuyor. verilen geni kontrol ederek olusturdugunuz maddenin ozelliklerini cihazinizin performansi icin gelistirebilirsiniz.

son ornegim gunes pilleri. bunu gunes pilleri icin de yapabilirsiniz. biz karbon nanotubleri tutacak virusleri olusturduk ve onlarin cevresine titanyum dioksit ile kapladik bu sayede aletten elektron akisini elde elebiliriz. ve anladik ki, gen muhendisligi ile boya hassasiyetli gunes pillerinin performansini arttirabilirsiniz. Size bunlardan da bir tane getirdim. Bunlarla birazdan goz atabilirsiniz. bu virus tabanli gunes pili. Seleksiyon ve evrim yolu ile biz % 8 performansligunes pillerini % 11 lik performansa cikartabildik.

Umarim sizi pgrenilecek bircok mukemmel ve ilginc sey Ve dohanin nasil maddeleri yaptigi hakkinda ve eger zorlarsaniz bir sonraki basamaga gecebilecegimiz hakkinda yada doganin bile henuz yapmayi hayal edemedigi maddeleri insa etmek ve kullanmak konusunda ikna edebilmisimdir.

Teşekkür ederim.