Angela Belcherová: Prírodné pestovanie batérií

Inšpirovaná ustricovou mušľou, Angela Belcherová programuje vírusy tak, aby vyrobili elegantné nanometrové štruktúry, ktoré ľudia môžu používať. Vyberaním vysokovýkonných génov prostredníctvom riadenej evolúcie, produkuje vírusy, ktoré môžu postaviť nové výkonné batérie, čisté vodíkové palivá a rekordy lámajúce solárne články. Na TEDxCaltech nám ukazuje, ako sa to robí.

Rozhodla som sa, že Vám trochu porozprávam o tom, ako príroda vytvára materiály.

Priniesla som so sebou ustricovú mušľu.

Táto ustricová mušľa je biokompozitný materiál,

v ktorom 98 percent tvorí uhličitan vápenatý

a dve percentá hmotnosti sú bielkoviny.

A predsa, je 3000 krát pevnejší

ako jeho geologický náprotivok.

A mnoho ľudí používa štruktúry ako sú tieto ustricové mušle,

ako kriedu.

Bola som fascinovaná tým, ako príroda vytvára materiály,

ale takejto vynikajúcej práci

predchádza dlhá sekvencia.

Sčasti preto, lebo tieto materiály

sú štruktúrovo makroskopické,

ale vznikajú v nanomierke.

Sú tvorené v nanomierke,

a využívajú bielkoviny, ktoré sú kódované podľa genetickej úrovne,

ktorá im umožňuje vybudovať tieto naozaj nádherné štruktúry.

Takže niečo, čo je podľa mňa veľmi fascinujúce je,

čo keby ste mohli dať život

neživej štruktúre,

ako napr. batérii alebo solárnym článkom?

Čo ak by tieto mali niektoré schopnosti rovnaké ako

ustricové mušle,

čo sa týka schopnosti

vyrobiť naozaj nádherné štruktúry

pri izbovej teplote a izbovom tlaku,

používať netoxické chemické látky

a nevypúšťať žiadne toxické materiály späť do prostredia?

Tak toto je moja vízia.

A čo ak by ste vedeli vypestovať batérie v Petriho miske?

Alebo, čo ak by ste mohli dať genetickú informáciu batérii,

a tá by sa mohla stať skutočne lepšou

ako čas plynie,

a naviac aj ekologicky šetrnejšou?

Ale vráťme sa k tejto ustricovej mušli,

okrem toho, že sú nanoštruktúrované,

jedným z fascinujúcich faktov je,

že keď sa samček a samička ustrice spoja,

dochádza k prenosu genetickej informácie,

ktorá hovorí: „Toto je spôsob, ako vybudovať vynikajúci materiál .

Tu je návod, ako na to pri izbovej teplote a izbovom tlaku,

za použitia netoxických materiálov.“

Rovnaké je to aj s rozsievkami, môžete ich vidieť priamo tu. Sú to priehľadné štruktúry.

Zakaždým, keď sa rozsievky množia,

predávajú si genetickú informáciu, ktorá hovorí:

„Tu je návod, ako vyrobiť sklo v oceáne

s dokonalou nanoštruktúrou.

A vy môžete urobiť to isté, znova a znova.“

Takže, čo ak by ste mohli urobiť to isté

so solárnymi článkami alebo batériami?

Rada by som len povedala, že mojim obľúbeným biomateriálom je moje štvorročné dieťa.

Ale každý, kto niekedy mal malé deti, alebo jednoducho deti pozná, vie,

že vedia, že sú neuveriteľne zložitými organizmami.

A tak, ak by ste ich chceli presvedčiť

urobiť niečo, čo nechcú, je to veľmi ťažké.

Takže, keď hovoríme o technológiách budúcnosti,

máme vlastne na mysli používanie baktérií a vírusov,

čiže jednoduchých organizmov.

Dokážete ich presvedčiť, aby prácou s novým nástrojom

postavili štruktúru,

ktorá bude pre mňa dôležitá?

Taktiež, myslíme na technológie budúcnosti.

Začneme so začiatkom Zeme.

Vytvorenie života na Zemi

trvalo v podstate miliardy rokov.

A veľmi rýchlo vznikli mnohobunkové organizmy,

ktoré sa mohli množiť, mohli využívať fotosyntézu

na získavanie potrebnej energie.

Ale až pred 500 miliónmi rokov -

v priebehu geologického obdobia Kambrium –

začali organizmy v oceáne vyrábať tvrdé materiály.

Pred tým boli všetky štruktúry mäkké a sypké.

A práve počas tohto obdobia

bol v okolitom prostredí zvýšený obsah vápnika, železa

a kremíka.

A organizmy sa naučili vyrábať tvrdé materiály.

A to je to, čo by som chcela urobiť -

presvedčiť biológiu

pracovať so zvyškom periodickej tabuľky.

Keď sa pozriete na biológiu,

nájdete tam veľa štruktúr ako je DNA, protilátky,

bielkoviny a ribozómy, o ktorých ste už počuli,

a viete teda že sú nanoštruktúrované.

Takže príroda nám naozaj ponúka

nádherné štruktúry v nanomierke.

Čo keby sme ich mohli využiť,

a presvedčiť, aby neboli protilátkou,

povedzme napr. HIV?

Ale čo ak sme ich mohli presvedčiť,

aby pre nás vybudovali solárny článok?

Takže tu je niekoľko príkladov: toto sú niektoré prírodné mušle.

Existujú prírodné biologické materiály.

Táto ustricová mušľa - a ak ju zlomíte,

môžete vidieť, že je nanoštruktúrovaná.

Sú tu rozsievky vyrobené z SiO2,

a tieto sú magnetotaktické baktérie,

ktoré dokážu vyrobiť malé jednodoménové magnety používané na navigáciu.

To, čo majú všetky tieto štruktúry spoločné je,

že tieto materiály sú vytvorené v nanomierke,

a majú DNA sekvenciu,

ktorá kóduje proteínovú sekvenciu,

ktorá im dáva plán,

podľa ktorého môžu stavať tieto naozaj nádherné štruktúry.

Vráťme sa späť k ustricovej mušli,

ustrica vytvára túto mušľu práve týmito proteínmi.

Tieto proteíny sú záporne nabité.

Z okolitého prostredia dokážu vytiahnuť vápnik,

vytvoriť vrstvu vápnika a umožniť proces karbonizácie, ďalšia vrstva vápnika a opätovná karbonizácia.

To má chemickú sekvenciu aminokyselín,

ktorá nesie odkaz: „Toto je spôsob, ako postaviť štruktúru.

A na uskutočnenie toho, tu je DNA sekvencia

a proteínová sekvencia.“

A tak zaujímavým nápadom je, čo keby ste mohli zobrať akýkoľvek materiál,

alebo akýkoľvek prvok v periodickej tabuľke,

a nájsť jemu zodpovedajúcu DNA sekvenciu,

potom to okódovať pre zodpovedajúcu proteínovú sekvenciu,

aby tá mohla postaviť štruktúru, ale nie ustricovú mušľu –

postaviť niečo, prostredníctvom prírody,

s čím ešte nikdy nemala príležitosť pracovať.

A tu je periodická tabuľka.

Milujem periodickú tabuľku.

Každý rok pre študentov prvého ročníka nášho MIT inštitútu

mám periodickú tabuľku, ktorá hovorí:

„Vitajte na MIT. Teraz ste vo svojom živle.“

A keď to prevrátite, na druhej strane sú aminokyseliny

s rôznymi funkciami pri rôznom pH.

A toto rozdávam tisícom ľudí.

A viem, že je na nich napísané MIT, a toto je Caltech,

ale mám zopár naviac, ak má niekto záujem.

A mala som naozaj šťastie,

že prezident Obama navštívil moje laboratórium tohoto roku

pri jeho návšteve v MIT,

a naozaj som mu chcela dať túto periodickú tabuľku.

Tak som zostala hore dlho do noci, a rozprávala som sa s manželom,

„Ako mám dať prezidentovi Obamovi periodickú tabuľku?

Čo ak povie, 'Oh, už jednu mám,'

alebo 'už to viem naspamäť'?“

A tak prišiel na návštevu do laboratória

a rozhliadol sa - bola to skvelá návšteva.

A potom som povedala:

„Pane, chcem vám dať periodickú tabuľku

pre prípad, že raz uviaznete a budete potrebovať vypočítať molekulovú hmotnosť.“

Myslela som si, že molekulová hmotnosť znie menej hlúpo

ako molárna hmotnosť.

A tak sa na to pozrel,

a povedal:

„Ďakujem. Budem sa na to periodicky pozerať.“

(Smiech)

(Potlesk).

A neskôr na jeho prednáške o čistej energii,

vytiahol túto tabuľku a povedal:

„A ľudia v MIT rozdávajú periodické tabuľky.“

Takže v podstate to, čo som vám nepovedala je,

že asi pred 500 miliónmi rokov, organizmy začali vyrábať materiály,

ale to, aby v tom boli naozaj dobrí, im trvalo asi 50 miliónov rokov.

Trvalo im asi 50 miliónov rokov,

kým sa zdokonalili vo výrobe tejto ustricovej mušle.

A toto je ťažké predať absolventom škôl.

„Mám tento skvelý projekt – 50 miliónov rokov“.

A tak sme museli vyvinúť spôsob,

ako to urobiť rýchlejšie.

Použili sme vírus, ide o nejedovatý vírus

zvaný M13 bakteriofág,

ktorého úlohou je infikovať baktérie.

Má jednoduchú DNA štruktúru,

takže môžete skopírovať a vložiť

do nej ďalšie DNA sekvencie.

A práve táto činnosť umožňuje vírusu

vytlačiť náhodné proteínové sekvencie.

A toto je celkom jednoduchá biotechnológia.

A mohli by ste to v podstate urobiť miliárdkrát.

Takže môžete mať miliardu rôznych vírusov,

ktoré sú geneticky zhodné,

ale líšia sa od seba

jednou sekvenciou

kódujúcou jednu bielkovinu na základe vlastného výberu.

Ak vezmete celú miliardu vírusov,

a vložíte ich do jednej kvapky tekutiny,

môžete ich prinútiť k interakcii podľa vlastného želania s akýmkoľvek prvkom z periodickej tabuľky.

A prostredníctvom selektívneho procesu evolúcie

môžete dosiahnuť to, že jeden z miliardy urobí to, čo chcete,

ako napríklad vyrobiť batériu alebo solárny článok.

Takže, vírusy sa v podstate nemôžu replikovať samé, potrebujú hostiteľa.

Akonáhle zistíte, že jednému z miliardy sa to podarilo,

infikujete ním baktériu,

a urobíte milióny a miliardy kópií

tejto konkrétnej sekvencie.

A teda ďalšia vec, ktorá je na biológii krásna je to,

že biológia vám dáva naozaj nádherné štruktúry

s rovnomernou stupnicou.

A tieto vírusy sú dlhé a tenké,

a my môžeme dosiahnuť to, že vyjadria schopnosť

vyrobiť niečo, ako napr. polovodiče

alebo materiály pre batérie.

Toto je vysoko výkonný akumulátor, ktorý sme vyrobili v mojom laboratóriu.

Vyrobili sme vírus schopný naberať uhlíkové nanotrubice.

Takže jedna časť vírusu zachytáva uhlíkové nanotrubice.

Druhá časť vírusu má schopnosť,

ktorá spôsobuje rast elektródového materiálu pre batériu.

A potom sa sám napojí na prúdový zberač.

A tak, prostredníctvom procesu výberovej evolúcie,

sme prešli od vírusu, ktorý vyrobil mizernú batériu

cez vírus, ktorý vyrobil dobrú batériu

až k vírusu, ktorý vyrobil rekordy lámajúcu vysoko výkonnú batériu,

a to všetko pri izbovej teplote, v podstate na povrchu stola.

A potom táto batéria putovala do Bieleho domu na tlačovú konferenciu.

Priniesla som ju aj tu.

V tomto prípade rozsvecuje túto LED diódu.

Ak by sme ju mohli vyrobiť vo väčšej veľkosti,

mohli by ste ju skutočne použiť

na poháňanie vášho auta Prius,

čo je mojím snom - byť schopný riadiť vírusom poháňané auto.

Ale v podstate -

môže sa vám to podariť na jednom z miliardy.

A k tomu môžete urobiť veľa vylepšení.

Vylepšenie v podstate urobíte v laboratóriu.

A potom to môžete prinútiť sa samozostaviť

do štruktúry batérie.

Sme schopní to urobiť aj s katalýzou.

Toto je príklad

fotokatalytického štiepenia vody.

Podarilo sa nám

usmerniť vírus, tak aby zachytil farbivo absorbujúce molekuly

a zoskupiť ich na povrchu vírusu tak,

že fungujú ako anténa,

a tým dochádza k prenosu energie cez vírus.

A potom sme im pridali druhý gén

na rast anorganického materiálu,

ktorý môže byť použitý na rozštiepenie vody

na kyslík a vodík,

ktoré môžu byť použité pre čisté palivá.

Priniesla som dnešný vzor so sebou.

Moji študenti sľúbili, že to bude fungovať.

Jedná sa o vírusovozostavené nanovlákna.

Keď na ne zasvietite svetlom, môžete ich vidieť bublať.

V tomto prípade vidíte vychádzať bubliny kyslíka.

A v podstate kontrolovaním génov,

môžete využiť rôzne materiály pre zlepšenie výkonu zariadenia.

Posledným príkladom sú solárne články.

Môžete to tiež urobiť pomocou solárnych článkov.

Podarilo sa nám pripraviť vírusy

schopné zachytávať uhlíkové nanotrubice

a následne spôsobiť rast oxidu titaničitého okolo nich -

a používať ich ako spôsob, ako dostať elektróny cez zariadenia.

A čo sme zistili je, že cez genetické inžinierstvo

môžeme skutočne zvýšiť

účinnosť týchto solárnych článkov

na rekordné údaje

pre tieto typy systémov citlivých na farbivo.

A ja som priniesla jeden z nich,

ktorý si potom môžete vyskúšať.

Tak toto sú vírusové solárne články.

Vývojom a výberom

sme zo solárneho článku s 8 % účinnosťou

vyrobili solárny článok s 11 % účinnosťou.

Dúfam, že som vás presvedčila,

že je treba preskúmať veľa fantastických a zaujímavých vecí,

o tom, ako príroda vyrába materiály -

a posunúť sa k ďalšiemu kroku,

a tým je zisťovanie, či je možné si to vynútiť,

alebo či je možné využiť spôsob, akým príroda vyrába materiály,

na výrobu veci, o ktorých ešte ani sama príroda nesnívala.

Ďakujem.