Angela Belcher: Usando a Natureza para cultivar baterias.

Inspirada pela concha do molusco Abalone, Angela Belcher programa alguns vírus para sintetizar elegantes estruturas nanomoleculares para uso humano. Selecionando genes de alta performance através de uma evolução dirigida, ela produz vírus que podem gerar novas e poderosas baterias, combustíveis limpos de hidrogênio e células fotoelétricas recordistas.

Eu pensei que deveria falar um pouco sobre como a natureza faz materiais.

Eu trouxe comigo uma concha de um abalone.

Esta concha do abalone é um compósito biológico

que tem 98% de sua massa constituída por carbonato de cálcio

e 2%, por massa protéica.

No entanto, ele é 3.000 vezes mais resistente

do que seu equivalente geológico.

E muitas pessoas podem usar estruturas como a concha do abalone

como giz.

Eu tenho sido fascinada pelo modo como a natureza faz os materiais

e existem muitos segredos

de como eles fazem tão refinado trabalho.

Parte dele é que estes materiais

são estruturas macroscópicas,

mas são formados na escala nanométrica.

Eles são formados na escala nanométrica

e eles usam proteínas que são codificadas pelo nível genético

isto os permite construir estas estruturas realmente refinadas.

Então, algo que eu penso ser muito fascinante

é... e se você pudesse dar vida

a estruturas inanimadas,

tais como pilhas e células fotoelétricas?

E se elas tivessem algumas das mesmas aptidões

que a concha do abalone tem,

em termos de serem capazes

de gerarem estruturas realmente refinadas

à temperatura e pressão ambientais,

usando produtos químicos não-tóxicos

e devolvendo ao ambiente estes materias não-tóxicos?

Pois bem, esta é a visão que tenho tido das coisas.

Então, e se você pudesse criar uma pilha numa placa de Petri?

Ou ainda, se você pudesse incorporar informação genética à uma pilha

de modo que ela pudesse se tornar mais eficiente

em função do tempo,

e fazer tudo isto de forma ecologicamente sustentável?

Enfim, retornando à concha do abalone,

como se não bastasse ela ser nanoestruturada,

algo fascinante acontece

quando um macho e uma fêmea abalone se encontram,

eles passam adiante informação genética

que diz: "Assim é como se constrói um material refinado.

Aqui está como fazê-lo à temperatura e pressão ambientais,

usando materiais inofensivos."

O mesmo com as diatomáceas, que são mostradas aqui, e que são estruturas vítreas.

Todas as vezes que as diatomáceas replicam,

elas transmitem informações genéticas que dizem o seguinte:

"Eis aqui como gerar vidro... no oceano

e de forma perfeitamente nanoestruturada.

E você pode fazer o mesmo, repetidas vezes."

Então, e se você pudesse fazer a mesma coisa

com uma célula fotoelétrica ou com uma pilha?

Eu gosto de dizer que o meu biomaterial favorito são minhas crianças de quatro anos de idade.

Alguém que já teve, ou conhece, crianças pequenas

sabem que elas são organismos incrívelmente complexos.

E isso, porque se você quiser convencê-las

a fazerem algo que elas não querem fazer, é muito difícil.

Então, quando nós pensamos em tecnologias futuras,

nós pensamos, na verdade, em usar bactérias e vírus,

organismos mais simples.

Você pode convencê-los a trabalhar com uma nova caixa de ferramentas,

assim, eles poderiam gerar uma estrutura

que seria importante para mim.

Além disso, nós pensamos sobre as tecnologias futuras.

Começamos pela formação da Terra.

Basicamente, levou um bilhão de anos

para surgir vida na Terra.

E muito rapidamente, ela se tornou multicelular,

eles puderam replicar, eles puderam usar a fotossíntese

como meio de obtenção de sua energia.

Mas isto foi até cerca de 500 milhões de anos atrás --

durante o era geológica Cambriana --

quando os organismos no oceano começaram a fazer materiais resistentes.

Antes disso, todos eles tinham estrutruras macias e fofas.

E foi neste período

que ocorreu um aumento de cálcio e ferro

e sílica no ambiente.

E os organismos aprenderam a fazer materias resistentes.

E é isto o que eu gostaria de ser capaz de fazer --

convencer a biologia

a trabalhar com os demais elementos da tabela periódica.

Pois bem, quando você olha para a biologia,

existem muitas estruturas como o DNA, anticorpos,

proteínas e ribossomos, que vocês ouviram falar

que já são nanoestruturados.

Então, a natureza já nos deu

estruturas realmente refinadas na escala nanométrica.

E se nós pudéssemos aproveitá-las

e convencê-las a ser não um anticorpo

ou a não fazer como o HIV?

Mas, se pudéssemos convencê-las

a gerar células fotoelétricas para nós?

Eis aqui alguns exemplos: estas são algumas conchas naturais.

Existem aqui materias biológicos naturais.

Aqui, a concha do abalone -- e se você quebrá-la,

poderá observar o fato de que ela é nanoestruturada.

Estas são diatomáceas constituídas por SiO2,

e elas são bactérias magnetotáxicas

que fazem pequenos ímãs de domínio único, usados para orientação.

O que todos eles têm em comum

é que estes materiais são montados em escala nanométrica

e possuem uma sequência de DNA

que codifica uma sequência protéica,

que os fornece o padrão de montagem

necessário para construir estas estruturas realmente maravilhosas.

Agora, retornando para a concha do abalone,

o abalone faz esta concha porque ele tem estas proteínas.

Estas proteínas são bem carregadas negativamente.

E elas podem assimilar o cálcio do ambiente,

montam uma camada de cálcio, depois uma de carbonato, cálcio e carbonato.

Elas têm as sequências químicas de aminoácidos

que dizem: "Assim é que se constrói a estrutura.

Eis aqui a sequência de DNA, eis aqui a seqüência de proteínas

para que isto seja feito."

E então, uma ideia interessante é: e se você pudesse pegar qualquer material que você quisesse,

ou qualquer elemento da tabela periódica,

e encontrar sua sequência de DNA correspondente,

em seguida, codificá-la em uma sequência protéica correspondente,

para criar uma estrutura, mas não uma concha de abalone --

criar algo que, por meio da natureza,

ainda nunca houve a oportunidade de se trabalhar com ela.

E então, eis aqui a tabela periódica.

E eu absolutamente amo a tabela periódica.

Todos os anos, na aula inagural para os calouros do MIT,

Eu tenho pronta uma tabela periódica que diz:

"Bem-vindo ao MIT. Agora você está em seu elemento."

E você a vira, e aqui estão aminoácidos

com os valores de pH nos quais eles possuem diferentes cargas.

E eu também distribuo isto para milhares de pessoas.

E eu sei que ela tem escrito MIT, e aqui é o Caltech...

mas eu tenho algumas extras, caso alguém queira.

E eu fiquei realmente feliz

em receber a visita do presidente Obama em meu laboratório, este ano,

em sua visita ao MIT,

e eu realmente queria dar-lhe uma tabela periódica.

Então, na noite anterior eu fiquei acordada e perguntei ao meu marido:

"Como é que eu faço para dar, para o presidente Obama, uma tabela periódica?

E se ele disser: 'Ah, mas eu já tenho uma'

ou então: 'Eu já memorizei ela toda'?"

E então, ele veio até meu laboratório

viu os arredores -- foi uma grande visita.

E então, eu finalmente disse:

"Sir, eu gostaria de dar-lhe a tabela periódica

caso o senhor se encontre em apuros e precise calcular um peso molecular."

E imaginei que o termo 'peso-molecular' soaria menos 'nerd'

do que 'massa molar'.

Então, ele olhou para ela

e disse:

"Obrigado. Eu a consultarei periodicamente."

(Risos)

(Aplausos)

E posteriormente, em uma palestra que ele deu sobre energias limpas,

ele a tirou e disse:

"E as pessoas no MIT, distribuem tabelas periódicas."

Então, basicamente o que eu ainda não lhes disse

é que cerca de 500 milhões de anos atrás, os organinsmos começaram a sintetizar materiais,

mas levaram cerca de 50 milhões de anos para ficarem bons nisto.

Eles levaram cerca de 50 milhões de anos

aprendendo como fazer, como aperfeiçoar aquela concha do abalone.

Ei, isto é 'difícil de vender' para um estudante de pós-graduação.

"Eu tenho este projeto fantástico -- 50 milhões de anos."

E então, nós temos que desenvolver um modo

de fazer isto mais rapidamente.

E então, nós usamos um vírus, um vírus não-tóxico

chamado 'Bacteriófago M13'

que tem como trabalho infectar bactérias.

Bem, ele tem uma estrutura de DNA simples

que você pode vir, cortar e colar

a ela seqüências adicionais de DNA.

E, fazendo-se isto, permite-se ao vírus

que ele expresse seqüências protéicas aleatórias.

E isto é uma biotecnologia muito fácil.

E você pode basicamente fazer isto um bilhão de vezes.

E assim você pode ir e ter um bilhão de diferentes vírus

que são todos geneticamente idênticos

mas diferem, entre si, em suas extremidades,

em uma única seqüência

que codifica uma proteína apenas.

Agora, se você pegar todo o bilhão de vírus

e você pode colocá-los em uma gota de um líquido,

você pode forçá-los a interagir com qualquer coisa que você queria da tabela periódica.

E através de um processo de seleção evolutiva,

você pode pinçar um em um bilhão, e que faz algo que você gostaria que ele fizesse,

como construir uma pilha ou uma células fotoelétrica.

Então, basicamente, os vírus não se replicam sozinhos, eles precisam de um hospedeiro.

Uma vez que você encontre um em um bilhão,

você o introduz em uma bactéria,

e você faz milhões e bilhões de cópias

daquela seqüência particular.

E assim, a outra coisa que é bonita sobre a biologia

é que a biologia lhe oferece estruturas realmente requintadas

com boas escalas de ligação.

e estes vírus são compridos e magrelos,

e nós podemos fazê-los expressar a capacidade

de gerar algo como semicondutores

ou materiais para baterias.

Agora, esta é uma pilha de alta-potência criada no meu laboratório.

Nós construímos um vírus capaz de pegar nanotubos de carbono.

Pois bem, uma parte do vírus agarra o nanotubo de carbono.

E a outra parte do vírus tem uma seqüência

que pode gerar um eletrodo para uma pilha.

E depois ele o conecta, por si, ao coletor de corrente.

E assim, através de um processo de seleção evolutiva,

nós partimos de um vírus que fazia uma bateria horrível

para um vírus que fazia uma boa bateria,

(e depois) para um vírus que fazia uma bateria recordista, uma pilha de alta-potência

tudo isto feito à temperatura ambiente, basicamente sobre a bancada (do laboratório)

E aquela pilha foi para a Casa Branca, para uma conferência de imprensa.

Eu trouxe ela aqui.

Você pode vê-la neste estojo -- ela que está acendendo este LED.

Agora, se nós pudermos escalonar isto,

você poderia, na verdade, usá-la

para fazer funcionar seu 'Prius',

que é o meu sonho -- ser capaz de dirigir um carro movido a vírus.

Basicamente --

você pode pegar um em meio a um bilhão.

Você pode fazer inúmeras amplificações dele.

Basicamente, você faz uma amplificação no laboratório.

E depois você consegue que ele faça a auto-montagem

de uma estrutura como uma pilha.

Nós podemos fazer isto também através de catálise.

Este é um exemplo

de separação fotocatalítica da água.

E o que nós fomos capazes de fazer

foi programar um vírus para basicamente incorporar moléculas absorventes de corante

e alinhá-las sobre a superfície do vírus

então, isto age como uma antena,

e você consegue uma transferência de energia ao longo do vírus.

E depois, nós inserimos um segundo gene

para fazer crescer um material inorgânico

que pode ser usado para separar água

em oxigênio e hidrogênio,

que podem ser usados como combustíveis limpos.

E eu trouxe um exemplo disso comigo hoje.

Meus alunos me prometeram que isto funcionaria.

Estes são nano-fios montados por vírus.

Quando você joga luz sobre eles, você pode vê-los borbulhando.

Neste caso, você está vendo bolhas de oxigênio saindo.

E, basicamente, manipulando os genes,

você pode controlar múltiplos materiais para melhorar o desempenho do seu aparelho.

O último exemplo são as células fotoelétricas.

Você também pode fazer isto com células fotoelétricas.

Nós fomos capazes de engenhar os vírus

para que eles pegassem nanotubos de carbono

e depois, depositassem dióxido de titânio entorno deles --

e usar como meio para os elétrons passarem através do aparelho.

E o que nós descobrimos é que, através da engenharia genética,

nós podemos realmente aumentar

a eficiência destas células fotoelétricas

para gravar números

para estes tipos de sistemas sensibilizados por corantes.

E eu trouxe também um destes

para que vocês possam depois brincar por aí.

Então, esta é uma célula fotoelétrica baseada em um vírus.

Através de evolução e seleção,

nós a levamos de uma célula fotoelétrica com eficiência de 8%

para uma célula com eficiência de 11%.

Pois bem, eu espero ter convencido vocês

de que existem muitas coisas admiráveis e interessantes para se aprender

sobre como a natureza faz materiais --

e levar isto para um próximo passo

para ver se você pode forçar,

ou se você pode tirar proveito de como a natureza faz materiais,

para fazer coisas que a natureza ainda nem sonhou em fazer.

Obrigada.