Pensei em falar-vos um pouco de como a Natureza cria os materiais.
Trouxe comigo uma concha de haliote.
Esta concha é um material "biocompósito":
98% da massa é carbonato de cálcio
e os restantes 2% são proteínas.
Com esta constituição, é 3000 vezes mais resistente
do que o carbonato de cálcio simples.
E muitas pessoas usam estruturas como estas conchas,
como o giz.
Fascina-me saber como a Natureza cria estes materiais,
e há muitos segredos para os criar de forma tão complexa.
Um aspecto relevante é que estes materiais
apresentam uma estrutura macroscópica,
mas o processo de formação ocorre a uma "nano-escala".
Estes materiais formam-se a uma "nano-escala",
e usam proteínas, codificadas a nível genético,
que lhes permite a criação destas estruturas complexas.
Uma coisa que considero fascinante
é o que aconteceria se pudéssemos dar vida a estruturas não-vivas,
como pilhas, baterias, e células fotovoltaicas?
Como seria se elas tivessam as mesmas capacidades
que a concha de haliote,
em termos de serem capazes de construir estruturas complexas
à pressão e temperatura ambientes,
usando materiais não-tóxicos
e não poluindo o ambiente com resíduos tóxicos?
Esta é a perspectiva que tenho aprofundado.
E se fosse possível fazer crescer uma bateria numa placa de Petri?
Ou se fosse possível passar informação genética para uma bateria,
de forma a que ela pudesse melhorar o desempenho ao longo do tempo
e fazer isso de forma amiga do ambiente?
Assim, voltando a esta concha de haliote,
além da sua estrutura "nanoscópica",
outro aspecto fascinante
é que quando um haliote macho e uma haliote fêmea
passam a informação genética,
dizem: "É assim que se constrói um material complexo.
"É assim que se faz, à pressão e temperatura ambientes,
"utilizando materiais não tóxicos".
O mesmo se passa com as diatomáceas, que são estruturas vítreas.
Sempre que uma diatomácea se reproduz,
a sua informação genética diz:
"Aqui está a forma de construir vidro no oceano
"com uma nano-estrutura perfeitamente definida.
"E este processo é transferível, vezes sem conta."
E se fosse possível fazer a mesma coisa
com uma célula fotovoltaica ou com uma bateria?
Gosto de dizer que o meu biomaterial preferido é o meu filho de 4 anos.
Todos os que conhecem crianças pequenas
sabem que as crianças são organismos muito complexos.
É muito difícil convencê-los
a fazer algo que não queiram
Assim, quando pensamos em tecnologias do futuro,
e pensamos em utilizar bactérias, e e vírus, organismos simples.
Conseguiremos convencê-los a trabalhar com outras matérias-primas,
para construírem uma estrutura
que seja importante para nós?
Para projectar as tecnologias do futuro
baseamo-nos no nascimento do nosso planeta, a Terra.
Foram necessários mil milhões de anos
para que a vida surgisse na Terra.
Rapidamente, tornou-se multi-celular,
pôde reproduzir-se,
utilizou a fotossíntese como forma de obter energia
mas foi só há cerca de 500 milhões de anos
-- durante o Câmbrico --
que os organismos marinhos começaram a produzir materiais rígidos.
Antes disso, os organismos marinhos apresentavam estruturas moles e fofas.
Foi durante esse período,
com grandes quantidades de cálcio, ferro
e silício disponíveis no ambiente,
que os organismos vivos aprenderam a produzir materiais rígidos.
E é isto que eu pretendo fazer
-- convencer os organismos vivos
a trabalhar com o resto da Tabela Periódica.
Na perspectiva da Biologia,
há muitas estruturas como o ADN e anticorpos,
proteínas e ribossomas -- de que já devem ter ouvido falar --
com uma estrutura "nanoscópica";
A Natureza apresenta muitas alternativas
de estruturas nanoscópicas complexas.
E se fosse possível "domesticá-las"
convencê-las a não serem anticorpos
que provocam algo indesejado como a SIDA/HIV?
E se as conseguíssemos convencer
a construir uma célula solar para nós?
Aqui estão alguns exemplos: estas são conchas naturais
materiais biológicos
A concha do haliote -- se nós a quebrarmos,
podemos constatar a sua nano-estrutura.
Estas diatomáceas são essencialmente feitas de SiO2
e estas são bactérias com propriedades magnéticas
que podem ser utilizadas para a navegação.
Todas estas conchas têm em comum
o facto de apresentarem uma nanoestrutura
e terem uma sequência de ADN
que codifica uma sequência de proteínas
que lhes dá um plano, uma ordem de construção,
que lhes permite contruir estas estruturas maravilhosas.
Regressando à concha de haliote,
o haliote produz estas conchas com proteínas
Estas proteínas têm uma carga eléctrica negativa
o que lhes permite "puxar", absorver, o cálcio do seu ambiente
e criar alternadamente camadas de cálcio / carbonato / cálcio / carbonato, etc...
O haliote tem uma sequência de aminoácidos
que diz: "É assim que se constrói a concha.
"Aqui está a sequência de ADN, aqui está a sequência de proteínas
"para construir a concha".
O que aconteceria se fosse possível escolher qualquer material,
ou qualquer elemento da Tabela Periódica,
encontrar a sua sequência de ADN,
codificar a respectiva sequência de proteínas
para construir uma estrutura
-- não uma concha mas algo que nunca foi produzido --
de forma natural?
Aqui está a Tabela Periódica.
Acho a Tabela Periódica uma maravilha!
Todos os anos, para receber os Caloiros no MIT,
tenho uma Tabela Periódica que diz:
"Bem-vindo ao MIT. Agora estás no teu elemento." (Risos)
Do outro lado, uma tabela que indica
as cargas dos aminoácidos para diferentes valores de pH.
E distribuo estas Tabelas a milhares de alunos.
Eu sei que estas Tabelas dizem "MIT", e que nós estamos no "CalTech",
mas tenho mais algumas, se alguém as quiser...
Tive muita sorte
por o Presidente Obama visitar o meu laboratório, este ano.
Quando ele visitou o MIT,
eu queria mesmo dar-lhe uma Tabela Periódica.
Por isso, durante a noite, perguntei ao meu marido:
"-- Como vou dar uma Tabela Periódica ao Presidente Obama?"
E se ele me diz: "- Oh, eu já tenho uma..."
Ou: "-- Já a memorizei, obrigado!" (Risos)
No dia seguinte, o Presidente Obama visitou o meu laboratório,
-- foi uma ótima visita! --
e, no final, eu disse: "Sr. Presidente, quero dar-lhe uma Tabela Periódica
"para numa dificuldade calcular o peso molecular".
(Risos)
Pensei que "peso molecular" soaria menos técnico
do que "massa molecular".
(Risos)
Ele olhou para a Tabela Periódica
e disse: "-- Obrigado. Vou olhar para ela periodicamente."
(Risos)
(Aplausos)
Mais tarde, o Presidente fez um discurso sobre "energia limpa",
mostrou a Tabela Periódica e disse:
"-- E as pessoas do MIT oferecem Tabelas Periódicas". (Risos)
O que eu não vos disse
é que os organismos começaram a construir conchas há 500 milhões de anos,
mas demoraram cerca de 50 milhões de anos para serem bem sucedidos.
Demoraram cerca de 50 milhões de anos a conseguirem perfeição
na produção desta concha de haliote.
Isto é difícil de explicar a um aluno: "este projecto é para fazer
"em 50 milhões de anos"... (Risos)
Temos que desenvolver uma forma
de fazê-lo mais rapidamente.
Utilizamos um vírus inofensivo
chamado bacteriófago M13,
cuja função é infectar bactérias,
que tem uma estrutura de ADN simples
que podemos cortar, e onde podemos inserir porções adicionais.
Ao fazê-lo, permitimos ao vírus
codificar estruturas aleatórias de proteínas.
Esta é uma forma muito básica de biotecnologia.
Podemos fazer isto milhões de vezes.
Podemos ter milhões de variantes do mesmo vírus,
geneticamente idênticas,
diferindo uma das outras num pequeno detalhe,
numa sequência
que codifica uma proteína.
Se tomarmos todas estas variantes,
as colocarmos numa gota de um meio de crescimento,
podemos forçá-las a interagir com os elementos que quisermos
e, através de um processo de selecção, de evolução,
podemos escolher de entre um milhão o que faz o que nós queremos,
como produzir uma bateria ou uma célula foto-voltaica.
Para que os vírus se possam replicar, eles precisam de um hospedeiro.
Assim que identificamos o vírus, podemos usá-lo para infectar uma bactéria,
e fazer milhões e milhões de cópias dessa sequência em particular.
Uma coisa maravilhosa na biologia
é que produz estruturas complexas
com ligações entre diferentes escalas.
Estes vírus são longos e finos
pelo que podemos utilizá-los
para produzir materiais como semicondutores
ou componentes para baterias
Esta é uma bateria que eu fiz crescer no meu laboratório.
Criámos um vírus para montar nanotubos de carbono.
De cada vez que o vírus encontra um nanotubo de carbono,
a outra parte do vírus tem uma sequência
que produz um material para o eléctrodo de uma bateria
e que se liga ao colector.
Através de um processo de selecção,
conseguimos partir de um vírus que fazia uma bateria tosca
e chegar a um vírus que faz uma boa bateria;
uma bateria capaz de bater recordes, de alto desempenho,
construída a temperatura ambiente, numa bancada de laboratório.
Essa bateria foi à Casa Branca, para uma conferência de imprensa,
e eu trouxe-a aqui, hoje.
Podem vê-la nesta caixa -- produz electricidade para manter o LED aceso.
Se fôssemos capazes de aumentar a escala desta bateria,
poderíamos usá-la para alimentar um Prius
-- é o meu sonho -- conduzir um carro eléctrico alimentado por um vírus.
(Risos)
Essencialmente, é este o princípio:
podemos escolher um vírus num milhão
e produzir inúmeras cópias...
Podemos amplificar o processo,
criar condições para auto-organização
numa estrutura como uma bateria.
Somos capazes de fazer isto com catalizadores.
Isto é um exemplo
de um separador catalítico de água.
O que fomos capazes de fazer
foi criar um vírus que absorve moléculas de pigmentos
armazenando-as na superfície do vírus
o que funciona como uma antena
conseguindo um mecanismo de transferência de energia.
Associamos um segundo gene
que permite acumular um material inorgânico
que pode ser utilizado para separar a água nos seus componentes,
oxigénio e hidrogénio,
e que pode ser utilizado para produzir combustível limpo.
Trouxe um exemplo comigo, hoje.
Os meus estudantes garantiram-me que iria funcionar.
Isto são nanofilamentos criados por vírus.
Quando os iluminamos, podemos vê-los borbulhar
-- neste caso, vemos bolhas de oxigénio.
(Aplausos)
Através da manipulação dos genes,
podemos controlar muitos materiais para melhorar o desempenho
dos mais diversos dispositivos.
O último exemplo: células foto-voltaicas, com que também podemos fazer isto.
Conseguimos manipular vírus para utilizarem nanotubos de carbono
e fazerem crescer dióxido de titânio à volta deles,
o que permite obter electrões livres.
Descobrimos que, através de manipulação genética,
foi aumentar a eficiência destas células foto-voltaicas
para valores recorde
para estes tipos de sistemas.
Cá está uma célula desse tipo
que poderemos experimentar lá fora, daqui a pouco.
Uma célula foto-voltaica produzida por vírus.
Através de manipulação e selecção,
conseguimos levar uma célula foto-voltaica com 8% de eficiência,
a apresentar 11% de eficiência.
Espero tê-los convencido
de que há um grande número de coisas interessantíssimas a aprender
sobre como alguns materiais são produzidos na Natureza
e, no passo seguinte,
compreender se somos capazes de usar a forma
como a Natureza produz estes materiais,
para produzir materiais com que a Natureza nunca sonhou.
Obrigada! (Aplausos)