חשבתי לדבר קצת על איך הטבע יוצר חומרים.
הבאתי איתי קונכיית אבלוני.
קונכיית האבלוני היא חומר אורגני מרוכב
ש98 אחוז ממסתו היא סידן פחמתי
ושני אחוז חלבון.
ועדיין, הוא קשיח פי 3000
מהקרוב הגאולוגי שלו.
והרבה אנשים יכולים להשתמש במבנים כמו קונכיות אבלוני,
לדוגמה גיר.
תמיד הוקסמתי מהדרך בה הטבע מייצר חומרים,
ויש הרבה מסתורין
באיך הוא עושה כאלה עבודות מעודנות.
חלק מזה זה העובדה שהחומרים האלה
בעלי מבנה מקרוסקופי,
אבל הם נוצרים בקנה מידה ננומטרי.
הם נוצרים בקנה מידה ננומטרי,
והם משתמשים בחלבונים שמקודדים ברמה הגנטית
שמאפשרים להם לבנות את הצורות המעודנות האלה.
אז משהו שאני חושבת שממש מרתק
זה מה אם תוכלו לתת חיים
למבנים דוממים,
כמו סוללות וכמו תאים סולאריים?
מה אם היו להם את אותן יכולות
שיש לקונכיית האבלוני יש,
מבחינת היכולת
לבנות מבנים עדינים
בטמפרטורת החדר ולחץ אטמוספרי רגיל,
על ידי שימוש בחומרים לא רעילים
ובלי הוספה של חומרים רעילים לסביבה?
אז זה החזון שחשבתי עליו.
אז מה אם תוכלו לגדל סוללות בצלחת פטרי?
או, מה אם תוכלו להעביר מידע גנטי לסוללה
כך שהיא תוכל להשתפר
במשך הזמן,
ולעשות זאת בדרך ידידותית לסביבה?
וכך, בחזרה לקונכיית האבלוני,
מלבד מהמבנה הננומטרי שלה,
דבר נוסף שמרתק,
הוא שכשזכר ונקבה נפגשים,
הם מעבירים את המידע הגנטי
שאומר, "זו הדרך לבנות חומר מעודן.
ככה עושים את זה בטמפרטורת החדר ולחץ רגיל,
על ידי שימוש בחומרים לא רעילים."
אותו הדבר עם דיאטומים, שמוצגים פה, שהם מבנים זכוכיתיים.
כל פעם שהדיאטומים משתכפלים,
הם מעבירים את המידע הגנטי שאומר,
"כך בונים זכוכית באוקיינוס
שבנוי ננומטרית בצורה מושלמת.
וניתן לעשות את זה אותו דבר, שוב ושוב."
אז מה אם תוכלו לעשות אותו דבר
עם תאים סולאריים או סוללות?
אני אוהבת להגיד שהחומר הביולוגי האהוב עלי הוא בני בן הארבע.
אבל כל מי שהיו לו או מכיר ילדים קטנים,
יודע שהם אורגניזמים מאוד מורכבים.
אז אם תרצו לשכנע אותם
לעשות משהו שהם לא רוצים, זה מאוד קשה.
אז כשחושבים על טכנולוגיות עתידיות,
אנחנו חושבים על שימוש בבקטריות ווירוסים,
אורגניזמים פשוטים.
האם תוכלו לשכנע אותם לעבוד עם כלים חדשים,
כך שהם יוכלו לבנות מבנה
שייהיה לי מועיל?
וגם, אנחנו חושבים על טכנולוגיות עתידיות.
אנחנו מתחילים עם הולדת כדור הארץ.
בעיקרון, לקח מיליארדי שנים
להגיע לחיים על כדור הארץ.
ובמהירות רבה, הם הפכו לרב תאיים,
הם יכלו להשתכפל, הם יכלו להשתמש בפוטוסינטזה
כדרך לקבלת מקור אנרגיה.
אבל רק לפני 500 מיליון שנה --
במהלך התקופה הקמברית --
שאורגניזמים באוקיינוס התחילו לייצר חומרים קשים.
לפני כן כולם היו רכים, במבנה אוורירי.
וזה היה בתקופה הזאת
שהיתה כמות מוגדלת של סידן ברזל
וסיליקון בסביבה.
ואורגניזמים למדו איך לייצר חומרים קשים.
וזה מה שאני רוצה להיות מסוגלת לעשות --
לשכנע את הביולוגיה
לעבוד עם שאר הטבלה המחזורית.
עכשיו אם תסתכלו על הביולוגיה,
יש מבנים רבים כמו DNA ונוגדנים
וחלבונים וריבוזומים ששמעתם עליהם
שכבר מורכבים בקנה מידה ננומטרי.
אז הטבע כבר נותן לנו
מבנים ממש מעודנים בקנה מידה ננומטרי.
מה אם נוכל לרתום אותם
ולשכנע אותם לא להיות נוגדן
שעושה משהו כמו איידס?
אלא נוכל לשכנע אותם
לבנות לנו תאים סולאריים?
אז הנה כמה דוגמאות: אלה כמה קונכיות טבעיות.
הם חומרים ביולוגיים טבעיים.
קונכית האבלוני כאן -- ואם תשברו אותה,
תוכלו לראות שהמבנה שלה ננומטרי.
יש דיאטומים שעשויים מסיליקון דו חמצני,
ויש בקטריות מגנטוטקטיות
שיוצרות מגנטים קטנים חד קוטביים לניווט.
מה שמשותף לכל אלה
זה שהחומרים בנויים בקנה מידה ננומטרי,
ויש להם רצף DNA
שמקודד לרצף חלבונים,
שנותן להם את התוכנית
להיות מסוגלים לבנות את המבנים המופלאים האלה.
עכשיו, בחזרה לקונכיית האבלוני,
האבלוני מייצרת את הקונכיה הזאת מפני שיש לה את החלבונים האלה.
החלבונים האלה טעונים מאוד במטען שלילי.
והם יכולים לשאוב סידן מהסביבה,
להניח שכבה של סידן ואז פחמה, סידן ופחמה.
יש לו את הסידור הכימי של חומצות אמינו
שאומר, "ככה בונים את המבנה.
הנה מבנה הDNA, הנה רצף החלבונים
כדי לעשות את זה."
אז רעיון מעניין הוא, מה אם תוכלו לקחת כל חומר שתרצו,
או כל יסוד מהטבלה המחזורית,
ותמצאו את רצף הDNA המתאים שלו,
ואז לקודד אותו לרצף חלבונים מתאים
כדי לבנות מבנה, אבל לא לבנות קונכיית אבלוני --
לבנות משהו אחר, באמצעות הטבע,
שלא היתה לו הזדמנות לעבוד איתו עדיין.
אז הנה הטבלה המחזורית.
ואני ממש אוהבת את הטבלה המחזורית.
כל שנה לכיתת הסטודנטים החדשים בMIT,
אני עושה טבלה מחזורית שאומרת,
"ברוכים הבאים לMIT. עכשיו אתם ביסוד שלכם."
וכשהופכים אותה, אלה חומצות האמינו
עם רמות החומציות בהן יש להן מטענים שונים.
ואני מחלקת את אלה לאלפי אנשים.
ואני יודעת שכתוב MIT, ופה זה קלטק,
אבל יש לי כמה מיותרות אם מישהו רוצה אותן.
והיה לי הרבה מזל
שהנשיא אובמה ביקר במעבדה שלי השנה
בביקור שלו בMIT,
וממש רציתי לתת לו טבלה מחזורית.
אז נשארתי ערה בלילה, ודיברתי עם בעלי,
"איך אני יכולה לתת לנשיא אובמה טבלה מחזורית?
מה אם הוא יגיד, 'או, כבר יש לי אחת.'
או, 'כבר למדתי אותה בעל פה'?"
אז הוא בא וביקר במעבדה שלי
והסתכל מסביב -- זה היה ביקור נפלא.
ואחרי זה, אמרתי,
"אדוני, אני רוצה לתת לך את הטבלה המחזורית
למקרה ותהיה בבעיה ותצטרך לחשב משקל מולקולרי."
וחשבתי שמשקל מולקולרי נשפע הרבה פחות חנוני
ממסה מולרית.
אז הוא הסתכל עליה,
ואמר,
"תודה רבה. אני אסתכל עליה במחזוריות."
(צחוק)
(מחיאות כפיים)
ומאוחר יותר בהרצאה שהוא נתן על אנרגיה נקיה,
הוא שלף אותה החוצה ואמר,
"ואנשים בMIT, הם מחלקים טבלאות מחזוריות."
אז בעיקרון מה שלא אמרתי לכם
זה שבערך לפני 500 מיליון שנה, אורגניזמים התחילו ליצור חומרים,
אבל זה לקח להם 50 מיליון שנה להשתפר בזה.
זה לקח להם 50 מיליון שנה
ללמוד איך לשכלל את התהליך איך לייצר את קונכית האבלוני.
ווקשה למכור את זה לדוקטורנט.
"יש לי פרוייקט מעולה -- 50 מיליון שנה."
אז היינו צריכים לפתח שיטה
לנסות לעשות את זה מהר יותר.
אז אנחנו משתמשים בוירוס שהוא לא רעיל
שנקרא M13 בקטריופאג'
שהעבודה שלו היא להדביק בקטריה.
יש לו מבנה DNA פשוט
שאתם יכולים לקחת ולחתוך ולהדביק
רצפי DNA נוספים לתוכו.
וכשעושים זאת, זה מאפשר לוירוס
ליצר רצפי חלבונים אקראיים.
וזו ביוטכנולוגיה פשוטה למדי.
ובעקרון הייתם יכולים לעשות את זה מיליארד פעמים.
ואז היו לכם מיליארדי וירוסים שונים
שכולם זהים גנטית,
אבל הם שונים אחד מהשני לפי הקצוות שלהם,
ברצף אחד
שמקודד לחלבון אחד.
עכשיו אם תקחו את כל מיליארדי הוירוסים האלה,
ותוכלו לשים אותם בטיפת נוזל אחת,
תוכלו להכריח אותם לעבוד עם כל יסוד שתרצו בטבלה המחזורית.
ודרך תהליך של ברירה אבולוציונית,
תוכלו לשלוף אחד מתוך המיליארד שעושה משהו שאתם רוצים שיעשה,
כמו לגדל סוללה או לגדל תא סולרי.
אז בעיקרון, וירוסים לא יכולים לשכפל את עצמם, הם צריכים מארח.
ברגע שאתם מוצאים את האחד מהמיליארד,
אתם מדביקים בקטריה איתו,
ויוצרים מיליונים ומיליארדים של עותקים
של הרצף הספציפי הזה.
ואז הדבר הנוסף שנפלא בביולוגיה
זה שביולוגיה נותנת לנו מבנים מעודנים
עם קשקשי קישור יפים.
והוירוסים האלה הם ארוכים ודקים,
ואנחנו יכולים לגרום להם להביע את היכולת
לגדל משהו כמו מוליכים למחצה
או חומרים לסוללות.
עכשיו זו סוללה חזקה שגדלנו במעבדה.
הינדסנו וירוס לאסוף ננו-צינוריות מפחמן.
אז חלק אחד מהוירוס אוסף ננו-צינוריות מפחמן.
לחלק האחר של הוירוס יש רצף
שיכול לגדל חומרי אלקטרודה לסוללה.
ואז הוא מחווט את עצמו לבקר הזרם.
אז דרך תהליך של ברירה אבולוציונית,
עברנו מוירוס שיצר סוללה עלובה
לוירוס שמייצר סוללה טובה
לוירוס שמייצר סוללה שוברת שיאים עם כוח גדול
וכל זה נעשה בטמפרטורת החדר, בעקרון על שולחן העבודה.
והסוללה הזו נסעה לבית הלבן למסיבת עיתונאים.
הבאתי אותה לפה.
אתם יכולים לראות אותה במארז הזה -- היא מפעילה את הLED הזה.
עכשיו אם נוכל להגדיל אותה,
תוכלו להשתמש בה בעצם
להניע את הפריוס (טויוטה) שלכם.
שזה החלום שלי -- לנהוג במכונית מונעת וירוסים.
אבל זה בעיקרון --
אתם יכולים להוציא אחת ממיליארד.
אתם יכולים לעשות לה הרבה תיגבורים.
בעיקרון, אתם יכולים לעשות את התיגבורים במעבדה.
ואז אתם גורמים להם להרכיב את עצמם עצמאית
למבנה כמו סוללה.
אנחנו מסוגלים לעשות את זה גם עם מאיצים.
זו דוגמה
להפרדת מים עם פוטו-מאיץ.
ומה שהיינו מסוגלים לעשות
הוא להנדס וירוס בעיקרון לקחת מולקולות סופגות צבע
ולסדר אותן על פני הוירוס
כך שהוא יכול לשמש כאנטנה,
ואתם מקבלים העברת אנרגיה על פני הוירוס.
ואז אנחנו נותנים לו גן נוסף
לגדל חומר לא אורגני
שיכול לשמש להפרדת מים
לחמצן ומימן,
שאפשר להשתמש בו ליצור דלקים נקיים.
והבאתי איתו דוגמה היום.
הסטודנטים שלי הבטיחו לי שזה יעבוד.
אלו ננוחוטים מורכבים מוירוסים.
כשמאירים אור עליהם, אתם יכולים לראות אותם מבעבעים.
במקרה הזה, אתם רואים בועות חמצן יוצאות החוצה.
ובעיקרון על ידי שליטה בגנים,
אתם יכולים לשלוט במגוון חומרים כדי לשפר את ביצועי המכשיר.
הדוגמה האחרונה היא תאים סולאריים.
אתם יכולים לעשות את זה גם עם תאים סולאריים.
הצלחנו להנדס וירוסים
להרים ננו-צינוריות פחמן
ואז לגדל תחמוצת טיטניום מסביבן --
ולהשתמש בזה כדי להעביר אלקטרונים דרך המכשיר.
ומה שמצאנו הוא, שדרך הנדסה גנטית,
אנחנו בעצם יכולים להגביר
את הנצילות של התאים הסולאריים האלה
למספרים שוברי שיאים
לסוג זה של מערכות סינטוז-דיו.
והבאתי גם אחד מאלה
שאתם יכולים לשחק איתו בחוץ אחר כך.
אז זה תא סולארי מבוסס וירוסים.
דרך אבולוציה וברירה,
הבאנו את התא הסולארי מנצילות של שמונה אחוזים
לנצילות של 11 אחוזים.
אז אני מקווה ששכנעתי אתכם
שיש הרבה דברים מעניינים וגדולים ללמוד
על איך הטבע יוצר חומרים --
ולקחת את זה לשלב הבא
כדי לראות אם אפשר להכריח,
או לנצל את הצורה בה הטבע יוצר חומרים,
כדי ליצור דברים שהטבע עדיין לא חלם עליהם.
תודה רבה.