Χρησιμοποιώντας τη φύση για να καλλιεργήσουμε μπαταρίες

Εμπνευσμένη από το όστρακο αμπαλόνε η Άντζελα Μπέλτσερ προγραμματίζει ιούς που, σε επίπεδο νανοκλίμακας, κατασκευάζουν κομψές δομές χρήσιμες στον άνθρωπο. Επιλέγοντας, μέσω διευθυνόμενης εξέλιξης, γονίδια υψηλών επιδόσεων έχει δημιουργήσει ιούς που μπορούν να κατασκευάσουν νέες ισχυρές μπαταρίες, καθαρά καύσιμα υδρογόνου και φωτοβολταϊκά στοιχεία με επιδόσεις ρεκόρ. Στο TEDxCaltech, μας δείχνει πώς γίνεται αυτό.

Σκέφτηκα να μιλήσω λιγο
για το πώς φτιάχνει τα υλικά της η φύση.

Έχω φέρει μαζί μου ένα όστρακο αμπαλόνε.

Το όστρακο αυτό είναι
ένα βιοσυνθετικό υλικό

που είναι, κατά μάζα,
98% ανθρακικό ασβέστιο

και 2%, κατά μάζα, πρωτεΐνη.

Ωστόσο, είναι 3.000 φορές ανθεκτικότερο

από το αντίστοιχο ορυκτό.

Πολλοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιούν
δομές σαν τα αμπαλόνε,

όπως την κιμωλία.

Είμαι γοητευμένη με τον τρόπο
που φτιάχνει η φύση τα υλικά της

και υπάρχουν πολλά μυστικά

στο πώς καταφέρνουν
αυτό το εξαίσιο αποτέλεσμα.

Μέρος αυτού είναι ότι τα υλικά αυτά

είναι μεν μακροσκοπικά στη δομή,

αλλά σχηματίζονται σε επίπεδο νανοκλίμακας.

Σχηματίζονται σε επίπεδο νανοκλίμακας,

και χρησιμοποιούν πρωτεΐνες που είναι κωδικοποιημένες από το γενετικό επίπεδο,

που τους επιτρέπουν να κατασκευάζουν αυτές τις πραγματικά εξαίσιες δομές.

Και έτσι, πράγμα που μου φαίνεται πολύ συναρπαστικό,

τι θα λέγατε εάν μπορούσαμε να δώσουμε ζωή

σε αβιοτικές δομές,

όπως οι μπαταρίες και τα φωτοβολταϊκά στοιχεία;

Σκεφτείτε να είχαν κάποιες
από τις ίδιες ικανότητες

που έχει ένα όστρακο αμπαλόνε,

από την άποψη του να είναι σε θέση

να υλοποιούν πραγματικά εξαίσιες δομές,

σε θερμοκρασία και ατμοσφαιρική πίεση δωματίου,

χρησιμοποιώντας μη τοξικές χημικές ουσίες

και χωρίς να επιβαρύνουν το περιβάλλον με τοξικά υλικά;

Αυτό λοιπόν είναι το όραμα που έχω στο μυαλό μου.

Φαντάζεστε να μπορούμε να καλλιεργούμε μια μπαταρία σε ένα τρυβλίο Πέτρι;

Ή, αν θα μπορούσαμε να δώσουμε γενετική πληροφορία σε μια μπαταρία,

ώστε να μπορεί στην πράξη να γίνεται,

όλο και καλύτερη με το πέρασμα του χρόνου

και μάλιστα με έναν φιλικό για το περιβάλλον τρόπο;

Και για να επιστρέψουμε σε αυτό εδώ το κοχύλι αμπαλόνε,

εκτός του ότι είναι νανοδομημένο,

αυτό που είναι συναρπαστικό,

είναι ότι όταν ένα αρσενικό και ένα θηλυκό αμπαλόνε συνευρίσκονται,

προωθούν τη γενετική πληροφορία

που λέει, «Να πώς φτιάχνεται ένα εξαιρετικό υλικό.

Να πώς να το φτιάξετε σε συνθήκες δωματίου,

με τη χρήση μη τοξικών υλικών».

Το ίδιο με αυτά εδώ τα διάτομα, τα οποία είναι υελώδεις δομές.

Κάθε φορά που αναπαράγονται τα διάτομα,

δίνουν τη γενετική πληροφορία που λέει,

«Να πώς να φτιάξεις γυαλί στον ωκεανό

που είναι τέλεια νανοδομημένο.

Και μπορείς να το επαναλάβεις ξανά και ξανά».

Φαντάζεστε να μπορούσαμε να κάνουμε το ίδιο

με ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο ή μια μπαταρία;

Μου αρέσει να λέω ότι το πιο αγαπημένο μου βιοϋλικό είναι το τετράχρονο παιδί μου.

Αλλά όποιος είναι γονιός, ή έχει γνωρίσει μικρά παιδιά,

ξέρει ότι είναι απίστευτα πολύπλοκοι οργανισμοί.

Και έτσι, αν θέλετε να τα πείσετε

να κάνουν κάτι που δεν θέλουν να κάνουν, είναι πολύ δύσκολο.

Έτσι, όταν σκεφτόμαστε για τεχνολογίες του μέλλοντος,

στην πραγματικότητα σκεφτόμαστε να χρησιμοποιήσουμε βακτήρια και ιούς,

απλούς οργανισμούς.

Μπορούμε να τα πείσουμε να εργαστούν με μια νέα εργαλειοθήκη,

έτσι ώστε να μπορούν να χτίσουν μία δομή

που θα είναι σημαντική για εμάς;

Επίσης, όταν σκεφτόμαστε για τεχνολογίες του μέλλοντος,

πάντα αρχίζουμε με τη δημιουργία της Γης.

Βασικά, πέρασε ένα δισεκατομμύριο χρόνια

μέχρι να υπάρξει ζωή πάνω στη Γη.

Και πολύ γρήγορα έγιναν οι πολυκύτταροι οργανισμοί,

μπορούσαν να αναπαράγονται και να χρησιμοποιούν

τη φωτοσύνθεση για ενέργεια.

Αλλά μόλις πριν από περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια --

κατά τη διάρκεια της Καμβρίου γεωλογικής περιόδου –

άρχισαν οι οργανισμοί των ωκεανών να κατασκευάζουν σκληρά υλικά.

Πριν από αυτό, όλα είχαν μαλακές χνουδωτές δομές.

Και ήταν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου

που προέκυψε αυξημένο ασβέστιο, σίδηρος

και πυρίτιο στο περιβάλλον,

και οι οργανισμοί έμαθαν πώς να κατασκευάζουν σκληρά υλικά.

Και έτσι αυτό που θα ήθελα να επιτύχω –

είναι να μπορέσω να πείσω τη βιολογία

να συνεργαστεί με τον υπόλοιπο περιοδικό πίνακα.

Τώρα, αν ρίξουμε μια ματιά στη βιολογία,

υπάρχουν πολλές δομές όπως, το DNA, τα αντισώματα,

οι πρωτεΐνες, τα ριβοσώματα, που έχετε ακούσει

ότι είναι ήδη νανοδομημένα.

Έτσι, η φύση ήδη μας δίνει

πραγματικά εξαίσιες δομές σε επίπεδο νανοκλίμακας.

Φαντάζεστε αν θα μπορούσαμε να τα τιθασεύσουμε

και να τα πείσουμε να μην είναι ένα αντίσωμα

που κάνει ό,τι κάνουν τα HIV;

Φαντάζεστε να μπορούσαμε να τα πείσουμε

να μάς φτιάχνουν φωτοβολταϊκά στοιχεία;

Ας δούμε εδώ μερικά δείγματα: μερικά κοχύλια από τη φύση.

Αυτά είναι φυσικά βιολογικά υλικά.

Αυτό εδώ το όστρακο του αμπαλόνε -- αν το θραύσετε,

μπορείτε να διαπιστώσετε ότι είναι νανοδομημένο.

Υπάρχουν διάτομα φτιαγμένα από SiO2,

που είναι μαγνητοτακτικά βακτήρια

που γίνονται μικροί μαγνήτες μεμονωμένων κουκκίδων και χρησιμοποιούνται σε συστήματα πλοήγησης.

Ο κοινός παράγοντας σε όλα αυτά

είναι ότι τα υλικά αυτά διαρθρώνονται στην νανοκλίμακα,

και έχουν μια αλληλουχία DNA

που κωδικοποιεί μια πρωτεϊνική αλληλουχία

που τους παρέχει το αρχιτεκτονικό σχέδιο κατασκευής

αυτών των πραγματικά θαυμαστών δομών.

Τώρα, επιστρέφοντας στο όστρακο του αμπαλόνε,

το αμπαλόνε καθότι έχει αυτές τις πρωτεΐνες φτιάχνει αυτό το όστρακο.

Αυτές οι πρωτεΐνες κατέχουν υψηλά αρνητικά φορτία.

Και εξ αυτού ελκύουν ασβέστιο από το περιβάλλον,

επιθέτουν μία στρώση ασβεστίου και στη συνέχεια ανθρακικό, ασβέστιο και ανθρακικό.

Έχει τις χημικές αλληλουχίες των αμινοξέων

οι οποίες λένε, «Να πώς να χτιστεί η δομή.

Να η ακολουθία του DNA, να η ακολουθία της πρωτεΐνης

για να μπορέσεις να το κάνεις».

Επομένως, είναι ενδιαφέρουσα ιδέα να υποθέσουμε πως αν μπορούσαμε να πάρουμε όποιο υλικό θέλαμε,

ή όποιο στοιχείο του περιοδικού πίνακα,

και να βρούμε την αντιστοιχούσα αλληλουχία DNA,

στη συνέχεια να την κωδικοποιήσουμε με την αντίστοιχη αλληλουχία πρωτεΐνης

για να κατασκευάσουμε μια δομή, αλλά να μην κατασκευάσουμε όστρακο αμπαλόνε –

αλλά να κατασκευάσουμε κάτι, μέσω της φύσης,

που η φύση δεν είχε ποτέ την ευκαιρία να ασχοληθεί.

Λοιπόν, να ο περιοδικός πίνακας.

Λατρεύω απόλυτα τον περιοδικό πίνακα.

Κάθε χρόνο στο MIT, για τους πρωτοετείς φοιτητές,

έχω ετοιμάσει έναν περιοδικό πίνακα που λέει:

«Καλώς ήρθατε στο ΜΙΤ. Τώρα είστε στο στοιχείο σας».

Και από την άλλη όψη είναι τα αμινοξέα

με το pH όπου έχουν διαφορετικά φορτία.

Τα δίνω αυτά σε χιλιάδες ανθρώπους.

Και ξέρω ότι γράφει MIT, ενώ εδώ είναι το Caltech,

αλλά πάντα έχω κάνα δυο έξτρα αν μου ζητήσουν.

Ήμουν πραγματικά τυχερή

που ο Πρόεδρος Ομπάμα φέτος επισκέφτηκε το εργαστήριό μου

κατά την επίσκεψή του στο MIT,

και ήθελα πραγματικά να του χαρίσω έναν περιοδικό πίνακα.

Έτσι έμεινα ξύπνια το βράδυ, και λέω στον άντρα μου,

«Πώς χαρίζεις έναν περιοδικό πίνακα στον Πρόεδρο Ομπάμα;

Τι γίνεται αν μου πει, “Ω, ήδη έχω έναν,”

ή, “Τον έχω ήδη μάθει απέξω;”» (Γέλια)

Έτσι όταν ήρθε να επισκεφτεί το εργαστήριό μου

και το περιεργάστηκε -- ήταν μια θαυμάσια επίσκεψη.

Και μετά του λέω,

«Κύριε, θέλω να σας δώσω τον περιοδικό πίνακα

αν ποτέ βρεθείτε σε δύσκολη θέση και χρειάζεται να υπολογίσετε μοριακό βάρος.»

Σκέφτηκα πως το μοριακό βάρος ακούγεται πολύ λιγότερο σπαστικό

από ό,τι η μοριακή μάζα.

Έτσι του έριξε μια ματιά

και είπε,

«Σας ευχαριστώ. Θα το συμβουλεύομαι περιοδικά».

(Γέλια)

(Χειροκρότημα)

Και αργότερα, σε μια διάλεξη που έδωσε περί καθαρής ενέργειας,

το βγάζει από την τσέπη και λέει,

«Και οι άνθρωποι του MIT, μοιράζουν περιοδικούς πίνακες».

Έτσι, ουσιαστικά αυτό που δεν σας έχω πει

είναι ότι πριν από περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια, οι οργανισμοί άρχισαν μεν να κατασκευάζουν υλικά,

αλλά τους πήρε περίπου 50 εκατομμύρια χρόνια για να γίνουν καλοί μάστορες.

Τους πήρε 50 εκατομμύρια χρόνια περίπου

μέχρι να μάθουν πώς να τελειοποιήσουν αυτό το όστρακο αμπαλόνε.

Και αυτό είναι δύσπεπτο μάθημα για ένα μεταπτυχιακό φοιτητή. (Γέλια)

"Ανέλαβα αυτό το μεγάλο έργο – χρονοδιάγραμμα, 50 εκατομμύρια χρόνια"

Έπρεπε λοιπόν ν' αναπτύξουμε έναν τρόπο

να προσπαθήσουμε να γίνει αυτό ταχύτερα.

Και γι' αυτό χρησιμοποιούμε έναν ιό που είναι μη τοξικός,

λέγεται βακτηριοφάγος Μ13

και το καθήκον του είναι να μολύνει βακτηρίδια.

Λοιπόν, έχει DNA απλής δομής

που σου επιτρέπει να πας και να κόψεις και να του επικολλήσεις

πρόσθετες αλληλουχίες DNA.

Και κάνοντας αυτό, επιτρέπεις στον ιό

να εκφράσει τυχαίες αλληλουχίες πρωτεϊνών.

Αυτό είναι αρκετά εύκολη βιοτεχνολογία.

Θα μπορούσατε βασικά να το κάνετε αυτό δισεκατομμύρια φορές.

Μπορείτε έτσι να συνεχίσετε και να έχετε δισεκατομμύρια διαφορετικούς ιούς

όλοι τους γενετικά όμοιοι,

αλλά διαφορετικοί μεταξύ τους βάσει της πληροφορίας,

σε μια αλληλουχία

που κωδικοποιεί για μία πρωτεΐνη.

Τώρα, εάν πάρουμε όλα αυτά τα δισεκατομμύρια ιών,

και τα βάλουμε σε μια σταγόνα υγρού,

μπορούμε να τα αναγκάσουμε να αλληλεπιδράσουν με όποιο στοιχείο του περιοδικού πίνακα θέλουμε.

Και μέσω της διαδικασίας της επιλεκτικής εξέλιξης,

μπορούμε να ξεχωρίσουμε από το δισεκατομμύριο, αυτό που κάνει κάτι που θα θέλαμε να κάνει,

π.χ. το να μπορεί να αναπτύξει μια μπαταρία ή ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο.

Έτσι, βασικά, οι ιοί αδυνατούν να αναπαράγουν τον εαυτό τους: Χρειάζονται έναν ξενιστή.

Μόλις ξεχωρίσουμε αυτό το ένα από το δισεκατομμύριο,

μολύνουμε μ’ αυτό βακτήρια,

και παράγουμε εκατομμύρια και δισεκατομμύρια αντίγραφα

αυτής της συγκεκριμένης αλληλουχίας.

Κάτι άλλο που είναι πανέμορφο στη βιολογία

είναι ότι η βιολογία μας δίνει πραγματικά εξαίσιες δομές

με αρμονικό σύνδεσμο κλιμάκων.

Οι ιοί αυτοί είναι μακρουλοί και λεπτοί,

και μπορούμε να τους κάνουμε να εκφράσουν την ικανότητα

ν' αναπτύξουν κάτι όπως είναι οι ημιαγωγοί

ή υλικά για μπαταρίες.

Τώρα, αυτό εδώ είναι μια μπαταρία υψηλής ισχύος που αναπτύξαμε στο εργαστήριό μου.

Σχεδιάσαμε έναν ιό που συλλέγει νανοσωλήνες άνθρακα.

Έτσι, το ένα τμήμα του ιού αρπάζει ένα νανοσωλήνα άνθρακα.

Το άλλο τμήμα του ιού έχει αλληλουχία

που μπορεί να αναπτύξει υλικό ηλεκτροδίου μπαταρίας.

Και μετά αυτοσυνδεσμολογείται στον συλλέκτη ρεύματος.

Έτσι, μέσω της διαδικασίας επιλεκτικής εξέλιξης,

πήγαμε από το να έχουμε έναν ιό που παρήγαγε μια οικτρή μπαταρία

σε έναν ιό ικανό για καλή μπαταρία,

σε έναν ιό που επέτυχε μια μπαταρία υψηλής ισχύος ρεκόρ,

όλα φτιαγμένα σε θερμοκρασία δωματίου, βασικά σε εργαστηριακό πάγκο.

Και η μπαταρία αυτή πήγε για συνέντευξη τύπου στον Λευκό Οίκο.

Την έχω φέρει εδώ.

Μπορείτε να τη δείτε σε αυτό το κουτί – αυτή ανάβει το φωτάκι LED.

Τώρα, αν θα μπορούσαμε να το μεγαλώσουμε σε κλίμακα,

θα μπορούσαμε να το χρησιμοποιήσουμε

για να κινήσουμε το δικό μας Τογιότα Πράιους,

κάτι που ονειρεύομαι - να μπορέσω να οδηγήσω ένα ιό-κινούμενο αυτοκίνητο.

Βασικά αυτό είναι --

ξεχωρίζουμε ένα από το δισεκατομμύριο.

Του κάνουμε πολλές ενισχύσεις.

Βασικά, κάνουμε μια ενίσχυση στο εργαστήριο,

και μετά το αφήνουμε να αυτοσυναρμολογηθεί

σε μια δομή όπως η μπαταρία.

Είμαστε επίσης σε θέση να το κάνουμε και με την κατάλυση.

Αυτό είναι ένα δείγμα

φωτοκαταλυτικής διάσπασης ύδατος.

Και αυτό που καταφέραμε να κάνουμε

είναι ότι σχεδιάσαμε έναν ιό που βασικά παίρνει μόρια που απορροφούν χρωστικές

και τα αραδιάζουμε επάνω στην επιφάνεια του ιού

ώστε να δρά σαν κεραία,

και έτσι πραγματοποιείται μεταφορά ενέργειας κατά μήκος του ιού.

Κατόπιν του δίνουμε ένα δεύτερο γονίδιο

για να αναπτύξει ένα ανόργανο υλικό

που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη διάσπαση ύδατος

σε οξυγόνο και υδρογόνο

που χρησιμοποιούνται για καθαρά καύσιμα.

Έφερα μαζί μου σήμερα το δείγμα.

Οι φοιτητές μου μού υποσχέθηκαν ότι θα λειτουργήσει.

Αυτά είναι νανοσύρματα συναρμολογημένα από ιούς.

Όταν λάμψει φως πάνω τους, μπορείτε να τα δείτε να βγάζουν φυσαλίδες.

Στην περίπτωση αυτή, πρόκειται για φυσαλίδες οξυγόνου.

Βασικά, ελέγχοντας τα γονίδια,

μπορούμε να ελέγχουμε πολλαπλά υλικά για τη βελτιώση των επιδόσεων της συσκευής μας.

Το τελευταίο δειγμα είναι φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Επίσης κάνουμε το ίδιο με τα φωτοβολταϊκά στοιχεία.

Ήμαστε σε θέση να σχεδιάσουμε ιούς

που λαμβάνουν νανοσωλήνες άνθρακα

και στη συνέχεια τους επικαλύπτουν με διοξείδιο τιτανίου –

και τους χρησιμοποιούν σαν μέσον διακίνησης ηλεκτρονίων μέσω της συσκευής.

Αυτό που βρήκαμε είναι ότι μέσω της γενετικής μηχανικής,

μπορούμε ενεργά να αυξήσουμε

την αποδοτικότητα αυτών των φωτοβολταϊκών στοιχείων

σε μεγέθη ρεκόρ

γι’ αυτούς τους τύπους συστημάτων ευαισθητοποιημένων χρωστικών.

Έφερα κι ένα από αυτά

ώστε αργότερα να μπορέσετε να παίξετε έξω μαζί του.

Έτσι, αυτό είναι ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο που βασίζεται σε ιούς.

Μέσω εξέλιξης και επιλογής,

πήγαμε από φωτοβολταϊκό στοιχείο αποδοτικότητας 8 τοις εκατό

σε μια αποδοτικότητα 11 τοις εκατό.

Ελπίζω να σας έπεισα

ότι υπάρχουν πολλά σπουδαία, ενδιαφέροντα πράγματα που έχουμε να μάθουμε

για το πώς φτιάχνει υλικά η φύση –

και προχωρώντας το στο επόμενο επίπεδο

να δούμε αν μπορούμε να προκαλέσουμε,

ή μάλλον αν μπορούμε να ωφεληθούμε από το πώς φτιάχνει υλικά η φύση,

ώστε να επιτύχουμε πράγματα που η φύση δεν έχει ακόμη ονειρευτεί να κάνει.

Σας ευχαριστώ.