0:00:00.000,0:00:03.000
Ho pensato di parlarvi un po' di come la natura produca i materiali.

0:00:03.000,0:00:05.000
Ho portato con me un abalone (haliotis, orecchia di mare).

0:00:05.000,0:00:08.000
Questo abalone è un materiale biocomposto

0:00:08.000,0:00:11.000
costituito al 98 per cento della massa da carbonato di calcio

0:00:11.000,0:00:13.000
e al due per cento da proteine.

0:00:13.000,0:00:15.000
Eppure, è 3000 volte più duro

0:00:15.000,0:00:17.000
del suo equivalente geologico.

0:00:17.000,0:00:20.000
E molte persone usano strutture simili all'abalone,

0:00:20.000,0:00:22.000
tipo il gesso.

0:00:22.000,0:00:24.000
Sono rimasta affascinata da come la natura produca materiali,

0:00:24.000,0:00:26.000
e sono molti i segreti

0:00:26.000,0:00:28.000
dietro un lavoro fatto così bene.

0:00:28.000,0:00:30.000
In parte il motivo è che questi materiali

0:00:30.000,0:00:32.000
hanno una struttura macroscopica,

0:00:32.000,0:00:34.000
ma vengono formati su scala nanometrica.

0:00:34.000,0:00:36.000
Sono formati su scala nanometrica,

0:00:36.000,0:00:39.000
e usano le proteine che sono codificate al livello genetico

0:00:39.000,0:00:42.000
e che permettono di costruire queste strutture davvero raffinate.

0:00:42.000,0:00:44.000
Quindi ciò che penso sia molto affascinante

0:00:44.000,0:00:47.000
è che cosa ne pensate se si potesse dar vita

0:00:47.000,0:00:49.000
a strutture inanimate

0:00:49.000,0:00:51.000
come le batterie o le celle solari?

0:00:51.000,0:00:53.000
E se avessero alcune delle capacità

0:00:53.000,0:00:55.000
che ha l'abalone,

0:00:55.000,0:00:57.000
per quanto riguarda l'essere in grado

0:00:57.000,0:00:59.000
di costruire strutture davvero raffinate

0:00:59.000,0:01:01.000
a temperatura ambiente e pressione ambiente,

0:01:01.000,0:01:03.000
usando composti chimici non tossici

0:01:03.000,0:01:06.000
e senza immettere materiali tossici nell'ambiente?

0:01:06.000,0:01:09.000
Allora, è questa l'idea su cui ho continuato a riflettere.

0:01:09.000,0:01:11.000
E se si potesse far crescere una batteria in una capsula di Petri?

0:01:11.000,0:01:14.000
O se si potesse dare dell'informazione genetica ad una batteria

0:01:14.000,0:01:16.000
cosicché potrebbe addirittura migliorare

0:01:16.000,0:01:18.000
nel tempo,

0:01:18.000,0:01:20.000
e fare ciò in modo sostenibile per l'ambiente?

0:01:20.000,0:01:23.000
E quindi, tornando all'abalone,

0:01:23.000,0:01:25.000
oltre ad essere nano-strutturato,

0:01:25.000,0:01:27.000
una cosa che è affascinante,

0:01:27.000,0:01:29.000
è che quando un maschio ed una femmina di abalone di uniscono,

0:01:29.000,0:01:31.000
inoltrano l'informazione genetica

0:01:31.000,0:01:34.000
che dice "Ecco come si costruisce un materiale squisito.

0:01:34.000,0:01:36.000
Ecco come farlo a temperature e pressione ambiente,

0:01:36.000,0:01:38.000
senza usare materiali tossici."

0:01:38.000,0:01:41.000
Lo stesso per le diatomee, mostrate qui, che sono strutture vetrose.

0:01:41.000,0:01:43.000
Ogni volta che le diatomee si replicano,

0:01:43.000,0:01:45.000
danno l'informazione genetica, la quale dice

0:01:45.000,0:01:47.000
"Ecco come si costruisce il vetro nell'oceano

0:01:47.000,0:01:49.000
un vetro che è perfettamente nano-strutturato.

0:01:49.000,0:01:51.000
E lo si può fare identico ogni volta ripetutamente."

0:01:51.000,0:01:53.000
E se potessimo fare la stessa cosa

0:01:53.000,0:01:55.000
per una cella solare o una batteria?

0:01:55.000,0:01:58.000
Mi piace dirla così, che il mio biomateriale preferito è mio figlio di 4 anni.

0:01:58.000,0:02:01.000
Ma chiunque abbia mai avuto, o conosca, dei bambini piccoli

0:02:01.000,0:02:04.000
sa che sono degli organismi incredibilmente complessi.

0:02:04.000,0:02:06.000
E quindi se volete convincerli

0:02:06.000,0:02:08.000
a fare qualcosa che non vogliono fare, è difficilissimo.

0:02:08.000,0:02:11.000
Quindi quando immaginiamo le tecnologie del futuro,

0:02:11.000,0:02:13.000
pensiamo davvero di usare batteri e virus,

0:02:13.000,0:02:15.000
organismi semplici.

0:02:15.000,0:02:17.000
Riuscite a convincerli a lavorare con una nuova cassetta degli attrezzi,

0:02:17.000,0:02:19.000
cosicché possano costruire una struttura

0:02:19.000,0:02:21.000
che sia utile a me?

0:02:21.000,0:02:23.000
E poi, pensiamo alle tecnologie del futuro.

0:02:23.000,0:02:25.000
Ma cominciamo dall'inizio, dai primordi della Terra.

0:02:25.000,0:02:27.000
Praticamente, c'è voluto un miliardo di anni

0:02:27.000,0:02:29.000
per avere la vita sulla Terra.

0:02:29.000,0:02:31.000
E molto rapidamente, gli organismi diventarono multi-cellulari,

0:02:31.000,0:02:34.000
impararono a replicarsi, a fare la fotosintesi

0:02:34.000,0:02:36.000
come mezzo di approvvigionamento energetico.

0:02:36.000,0:02:38.000
Ma non fu prima di 500 milioni di anni fa --

0:02:38.000,0:02:40.000
durante il periodo geologico Cambriano --

0:02:40.000,0:02:43.000
che gli organismi degli oceani cominciarono a produrre materiali duri.

0:02:43.000,0:02:46.000
Prima di allora erano tutte strutture molli e soffici.

0:02:46.000,0:02:48.000
E fu durante questo periodo

0:02:48.000,0:02:50.000
che la concentrazione nell'ambiente

0:02:50.000,0:02:52.000
di calcio, ferro e silicio aumentarono.

0:02:52.000,0:02:55.000
E gli organismi impararono a produrre materiali duri.

0:02:55.000,0:02:57.000
E quindi è questo quello che vorrei riuscire a fare --

0:02:57.000,0:02:59.000
convincere la biologia

0:02:59.000,0:03:01.000
a lavorare con il resto della tavola periodica.

0:03:01.000,0:03:03.000
Ora se date un'occhiata alla biologia,

0:03:03.000,0:03:05.000
ci sono tante strutture come il DNA e gli anticorpi

0:03:05.000,0:03:07.000
e le proteine e i ribosomi di cui avete sentito parlare

0:03:07.000,0:03:09.000
e che sono delle nano-strutture.

0:03:09.000,0:03:11.000
Quindi la natura ci dà già

0:03:11.000,0:03:13.000
delle strutture davvero raffinate a livello nanoscopico.

0:03:13.000,0:03:15.000
E se riuscissimo a sfruttarle

0:03:15.000,0:03:17.000
e a convincerle non di essere un anticorpo

0:03:17.000,0:03:19.000
che fa qualcosa come per l'HIV?

0:03:19.000,0:03:21.000
Ma piuttosto se le potessimo convincere

0:03:21.000,0:03:23.000
a costruire per noi una cella solare?

0:03:23.000,0:03:25.000
Ecco qui alcuni esempi: queste sono conchiglie naturali.

0:03:25.000,0:03:27.000
Ci sono materiali biologici naturali.

0:03:27.000,0:03:29.000
Qui l'abalone -- e se lo si rompe,

0:03:29.000,0:03:31.000
si può notare il fatto che è nano-strutturato.

0:03:31.000,0:03:34.000
Ci sono diatomee fatte di SiO2 (ossido di silicio),

0:03:34.000,0:03:36.000
e sono dei batteri magnetotattici

0:03:36.000,0:03:39.000
che creano piccoli magneti a singolo dominio e li usano per navigare.

0:03:39.000,0:03:41.000
Ciò che tutti questi hanno in comune

0:03:41.000,0:03:43.000
è che questi materiali sono strutturati su scala nanometrica,

0:03:43.000,0:03:45.000
ed hanno una sequenza di DNA

0:03:45.000,0:03:47.000
che codifica una sequenza proteica,

0:03:47.000,0:03:49.000
che rappresenta il disegno tecnico, il progetto,

0:03:49.000,0:03:51.000
con le indicazioni per costruire queste strutture favolose.

0:03:51.000,0:03:53.000
Ora, tornando all'abalone,

0:03:53.000,0:03:56.000
l'abalone costruisce la conchiglia grazie a queste proteine.

0:03:56.000,0:03:58.000
Queste proteine sono fortemente cariche negativamente.

0:03:58.000,0:04:00.000
E possono estrarre il calcio dall'ambiente,

0:04:00.000,0:04:03.000
fare uno strato di calcio e poi di carbonato, e poi calcio e carbonato ancora.

0:04:03.000,0:04:06.000
Ha la sequenza chimica degli amminoacidi

0:04:06.000,0:04:08.000
che dice: "Ecco come costruire la struttura.

0:04:08.000,0:04:10.000
Ecco la sequenza di DNA, la sequenza proteica

0:04:10.000,0:04:12.000
che ti dice come fare."

0:04:12.000,0:04:15.000
E quindi è interessante l'idea per cui si vorrebbe scegliere un qualsiasi materiale,

0:04:15.000,0:04:17.000
o un elemento qualsiasi della tavola periodica,

0:04:17.000,0:04:20.000
e poter trovare la corrispondente sequenza di DNA,

0:04:20.000,0:04:22.000
quindi codificarla per la sequenza proteica corrispondente

0:04:22.000,0:04:25.000
per quindi costruire una struttura che non sia la conchiglia dell'abalone --

0:04:25.000,0:04:27.000
ma qualcosa su cui la natura

0:04:27.000,0:04:30.000
non ha ancora mai avuto l'opportunità di lavorarci su.

0:04:30.000,0:04:32.000
E allora ecco la tavola periodica degli elementi.

0:04:32.000,0:04:34.000
E io amo da matti la tavola periodica.

0:04:34.000,0:04:37.000
Ogni anno, per gli studenti entranti al MIT,

0:04:37.000,0:04:39.000
faccio fare una tabella periodica che dice

0:04:39.000,0:04:42.000
"Benvenuto al MIT. Ora sei nel tuo elemento."

0:04:42.000,0:04:45.000
E se la giri, ci sono gli amminoacidi

0:04:45.000,0:04:47.000
con il pH a cui hanno cariche diverse.

0:04:47.000,0:04:50.000
Quindi, la distribuii a migliaia di persone.

0:04:50.000,0:04:52.000
E lo so che dice MIT, e qui siamo a Caltech,

0:04:52.000,0:04:54.000
ma ne ho alcune in più se qualcuno le vuole.

0:04:54.000,0:04:56.000
E sono stata davvero fortunata quest'anno

0:04:56.000,0:04:58.000
di ricevere il Presidente Obama

0:04:58.000,0:05:00.000
durante la sua visita al MIT,

0:05:00.000,0:05:02.000
e volevo proprio dargli una di queste tavole periodiche.

0:05:02.000,0:05:04.000
E così sono rimasta sveglia la notte prima, e ho chiesto a mio marito

0:05:04.000,0:05:07.000
"Come faccio a dare la tavola periodica al Presidente Obama?

0:05:07.000,0:05:09.000
E se dicesse, 'Ah, ne ho già una'

0:05:09.000,0:05:11.000
oppure 'La so già a memoria'?"

0:05:11.000,0:05:13.000
Insomma, è venuto a visitare il mio laboratorio

0:05:13.000,0:05:15.000
ed è stata proprio una bella visita.

0:05:15.000,0:05:17.000
E dopo, gli ho detto

0:05:17.000,0:05:19.000
"Signor Presidente, vorrei donarle la tavola periodica,

0:05:19.000,0:05:23.000
se mai lei dovesse calcolare il peso molecolare in una situazione difficile".

0:05:23.000,0:05:25.000
E pensai che peso molecolare sembrava molto meno da secchioni

0:05:25.000,0:05:27.000
che non massa molare.

0:05:27.000,0:05:29.000
E lui l'ha guardata,

0:05:29.000,0:05:31.000
e ha detto

0:05:31.000,0:05:33.000
"Grazie. Ci darò un'occhiata periodicamente."

0:05:33.000,0:05:35.000
(Risate)

0:05:35.000,0:05:39.000
(Applausi)

0:05:39.000,0:05:42.000
E in una lezione sulle energie pulite che fece successivamente,

0:05:42.000,0:05:44.000
la tirò fuori e disse

0:05:44.000,0:05:46.000
"E quelli del MIT, distribuiscono tavole periodiche."

0:05:46.000,0:05:49.000
Beh, quindi quello che non vi ho detto

0:05:49.000,0:05:52.000
è che circa 500 milioni di anni fa, gli organismi cominciarono a produrre materiali,

0:05:52.000,0:05:54.000
ma ci vollero circa 50 milioni di anni affinché diventassero bravi in ciò.

0:05:54.000,0:05:56.000
Ci vollero circa 50 milioni di anni

0:05:56.000,0:05:58.000
affinché imparassero come perfezionarsi nel fare l'abalone.

0:05:58.000,0:06:00.000
E questo fatto non viene visto di buon occhio da uno studente di dottorato.

0:06:00.000,0:06:03.000
"Ho un progetto fantastico -- 50 milioni di anni."

0:06:03.000,0:06:05.000
Quindi abbiamo dovuto sviluppare una maniera

0:06:05.000,0:06:07.000
per provare a far ciò più rapidamente.

0:06:07.000,0:06:09.000
Quindi usiamo un virus, un virus non nocivo

0:06:09.000,0:06:11.000
che si chiama batteriofago M13

0:06:11.000,0:06:13.000
il cui compito è quello di infettare i batteri.

0:06:13.000,0:06:15.000
Bene, ha una struttura del DNA semplice

0:06:15.000,0:06:17.000
che si può manipolare con l'aggiunta

0:06:17.000,0:06:19.000
di altre sequenze di DNA.

0:06:19.000,0:06:21.000
E facendo ciò, si dice al virus

0:06:21.000,0:06:24.000
di esprimere sequenze proteiche a caso.

0:06:24.000,0:06:26.000
Tutto ciò e' biotecnologia di base.

0:06:26.000,0:06:28.000
E si può far ciò praticamente miliardi di volte.

0:06:28.000,0:06:30.000
Quindi si possono avere un milione di virus diversi

0:06:30.000,0:06:32.000
che sono geneticamente identici,

0:06:32.000,0:06:34.000
ma hanno di diverso un pezzetto,

0:06:34.000,0:06:36.000
una sequenza

0:06:36.000,0:06:38.000
che codifica una proteina.

0:06:38.000,0:06:40.000
Ora se si prende questo milione di virus,

0:06:40.000,0:06:42.000
e lo si mette in una goccia di liquido,

0:06:42.000,0:06:45.000
li si può forzare ad interagire con qualsivoglia elemento della tavola periodica.

0:06:45.000,0:06:47.000
E attraverso un processo di evoluzione selettiva,

0:06:47.000,0:06:50.000
si può estrarre dal mucchio quello che fa quella cosa specifica che si desidera,

0:06:50.000,0:06:52.000
come crescere un batterio, o una cella solare.

0:06:52.000,0:06:55.000
Praticamente, i virus non possono replicarsi da soli, hanno bisogno di un ospite.

0:06:55.000,0:06:57.000
Una volta trovato quell'uno su un milione,

0:06:57.000,0:06:59.000
lo si inocula in un batterio,

0:06:59.000,0:07:01.000
e se ne fanno milioni e miliardi di copie

0:07:01.000,0:07:03.000
di quella particolare sequenza.

0:07:03.000,0:07:05.000
L'altra cosa bella della biologia

0:07:05.000,0:07:07.000
è che la biologia ci dà davvero strutture eccezionali

0:07:07.000,0:07:09.000
con buone relazioni tra grandezze diverse.

0:07:09.000,0:07:11.000
E questi virus sono lunghi e sottili,

0:07:11.000,0:07:13.000
e possiamo far sì che esprimano la capacità

0:07:13.000,0:07:15.000
di crescere in modo che somiglino ai semiconduttori

0:07:15.000,0:07:17.000
o ai materiali per le batterie.

0:07:17.000,0:07:20.000
Ora questa è una batteria ad alta potenza che abbiamo fatto crescere nel mio laboratorio.

0:07:20.000,0:07:23.000
Abbiamo progettato un virus che usa i nanotubi di carbonio.

0:07:23.000,0:07:25.000
Quindi una parte del virus afferra il nanotubo di carbonio.

0:07:25.000,0:07:27.000
L'altra parte del virus ha una sequenza

0:07:27.000,0:07:30.000
che può far crescere un materiale che funge da elettrodo per la batteria.

0:07:30.000,0:07:33.000
E poi crea le connessioni elettriche con il collettore di corrente.

0:07:33.000,0:07:35.000
E quindi, tramite un processo di evoluzione selettiva,

0:07:35.000,0:07:38.000
siamo passati dall'avere un virus che costruiva una batteria scadente

0:07:38.000,0:07:40.000
ad un virus che faveca una buona batteria

0:07:40.000,0:07:43.000
ad un virus che faceva una batteria ad alta potenza da record,

0:07:43.000,0:07:46.000
tutto ciò fatto a temperatura ambiente, praticamente sul banco da lavoro.

0:07:46.000,0:07:49.000
E quella batteria è andata alla Casa Bianca per una conferenza stampa.

0:07:49.000,0:07:51.000
L'ho portata qui.

0:07:51.000,0:07:54.000
In questo caso potete vedere che fa accendere un LED.

0:07:54.000,0:07:56.000
Ora, se potessimo fare lo stesso su scala,

0:07:56.000,0:07:58.000
si potrebbe usare

0:07:58.000,0:08:00.000
per far alimentare la vostra Prius,

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che è il mio sogno -- poter guidare un auto alimentata da virus.

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Ma praticamente

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se ne può selezionare uno su un milione.

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Se può amplificare per molte volte.

0:08:11.000,0:08:13.000
Praticamente, si può amplificare in laboratorio.

0:08:13.000,0:08:15.000
E poi si può fare in modo che si auto-assembli

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per formare una struttura come una batteria.

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Riusciamo a far ciò anche con la catalisi.

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Ecco un esempio

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di scissione fotocatalitica dell'acqua.

0:08:23.000,0:08:25.000
E siamo riusciti a progettare

0:08:25.000,0:08:28.000
un virus che praticamente prende delle molecole che assorbono dei cromofori

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e le allinea sulla superficie del virus

0:08:30.000,0:08:32.000
così che funziona da antenna,

0:08:32.000,0:08:34.000
e si ottiene un trasferimento di energia lungo il virus.

0:08:34.000,0:08:36.000
Successivamente possiamo dargli un secondo gene

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per fra crescere un materiale inorganico

0:08:38.000,0:08:40.000
che può essere utilizzato per la scissione dell'acqua

0:08:40.000,0:08:42.000
in ossigeno e idrogeno,

0:08:42.000,0:08:44.000
che si può usare come carburante pulito.

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E oggi ho portato con me un esempio.

0:08:46.000,0:08:48.000
I miei studenti mi hanno giurato che funziona.

0:08:48.000,0:08:50.000
Questi sono dei fili nanometrici assemblati tramite virus.

0:08:50.000,0:08:53.000
Quando li si espone alla luce, si possono vedere delle bollicine.

0:08:53.000,0:08:56.000
In questo caso, state vedendo fuoriuscire delle bollicine di ossigeno.

0:08:57.000,0:09:00.000
E praticamente controllando i geni,

0:09:00.000,0:09:03.000
si possono controllare molteplici materiali per migliorare le prestazioni del dispositivo.

0:09:03.000,0:09:05.000
L'ultimo esempio sono le celle solari.

0:09:05.000,0:09:07.000
Si può fare lo stesso con le celle solari.

0:09:07.000,0:09:09.000
Siamo stati in grado di progettare dei virus

0:09:09.000,0:09:11.000
che prendono i nanotubi di carbonio

0:09:11.000,0:09:15.000
e poi ci fanno crescere dell'ossidio di titanio intorno --

0:09:15.000,0:09:19.000
e usarlo per ottenere elettroni attraverso il dispositivo.

0:09:19.000,0:09:21.000
E abbiamo scoperto che, attraverso l'ingegneria genetica,

0:09:21.000,0:09:23.000
possiamo davvero aumentare

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l'efficienza di queste celle solari

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fino a valori record

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per questo tipo di sistemi a pigmenti fotosensibili.

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E ho portato anche uno di questi

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con cui dopo ci potete sperimentare all'aperto.

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Quindi questa è una cella solare fatta con i virus.

0:09:38.000,0:09:40.000
Attraverso l'evoluzione e la selezione,

0:09:40.000,0:09:43.000
siamo passati da una cella solare con efficienza dell'8%

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ad una con efficienza dell'11%.

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Quindi spero di avervi convinto

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che si sono un sacco di cose fantastiche ed interessanti da imparare

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su come la natura faccia i materiali --

0:09:53.000,0:09:55.000
e portando il discorso al livello successivo --

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per vedere se si può forzare,

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o se si può sfruttare il modo in cui la natura fa i materiali,

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per fare cose che la natura non ha ancora pensato di fare.

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Grazie.