Vă voi vorbi despre modul în care natura confecţionează materiale.
Am adus o scoică abalone.
E formată dintr-un material biocompozit
cu 98% din masă: carbonat de calciu
și 2% din masă: proteine.
Dar e de 3000 de ori mai dură decât echivalentul său geologic.
Mulţi ar folosi asemenea structuri,
chimic identice cu creta.
Sunt fascinată de felul în care natura creează materiale.
Sunt multe secrete referitoare la cum reuşesc să le realizeze,
mai ales din cauză că au o structură macroscopică,
dar sunt create la scară nanometrică.
Sunt create la scară nanometrică,
folosesc proteine programate genetic
care le permit să creeze aceste structuri deosebite.
Așadar, o întrebare fascinantă
ar fi dacă am putea da viață
structurilor fără viață,
ca bateriile și celulele solare?
Ce-ar fi să aibă abilități asemănătoare
cu o scoică abalone,
să fie capabilă
să construiască structuri extreme
la temperatură și presiune obișnuită,
folosind substanțe non-toxice
și returnând materiale non-toxice înapoi în mediu?
Deci asta e viziunea pe care am avut-o.
Ce-ar fi să putem cultiva o baterie într-un vas Petri?
Sau să furnizăm informație genetică unei baterii
astfel încât să devină efectiv
mai bună în timp,
și s-o facem într-o manieră favorabilă mediului?
Revenind la această scoică abalone,
pe lângă faptul că e nanostructurată,
e fascinant că atunci când
un mascul și o femelă abalone se împreună
își transmit informații genetice
care codifică modul de-a construi un material complex.
"Iată cum se face la temperaturi și presiuni obișnuite,
folosind materiale non-toxice."
La fel diatomeele care stălucesc aici -- aceste structuri transparente.
De fiecare dată când diatomeele se multiplică,
ele transmit informație genetică care spune,
"Iată cum să construiești în ocean
sticlă nano-structurată perfect.
Și poți face asta la nesfârșit."
Ce-ar fi să putem face același lucru
cu o celulă solară sau o baterie?
Îmi place să spun ca bio-materialul meu favorit e copilul meu de patru ani.
Dar cine a avut vreodată, sau știe copii mici,
știe că sunt organisme incredibil de complexe.
Dacă vrei să-i convingi
să facă ceva ce nu vor, e foarte greu.
Deci când ne gândim la tehnologiile viitorului,
ne gândim la folosirea bacteriilor și virusurilor,
organisme simple.
Pot fi convinse să lucreze cu mijloace noi,
să construiască o structură
importantă pentru mine?
Ne gândim la tehnologiile viitorului.
Începem cu formarea Pământului.
În principiu, a durat un miliard de ani
să apară viață unicelulară pe Pământ.
Rapid ea a devenit multicelulară,
s-a înmulțit, a folosit fotosinteza
ca mod de-a procesa energia.
Dar nu mai devreme de 500 de milioane de ani --
în perioada geologică cambriană --
organismele din ocean au început să creeze materiale dure.
Înainte de asta toate erau structuri moi, pufoase.
În acea perioadă
a crescut cantitatea de calciu, fier
și silicon din mediul înconjurător.
Și organismele au învățat sa producă materiale dure.
Asta e ce-aș dori fac --
să conving organismele biologie
să lucreze cu restul tabelului periodic.
Dacă ne uităm la biologie,
sunt o mulțime de structuri ca ADN-ul, anticorpii,
proteinele și ribozomi de care știți
ca sunt nano-structurate.
Deci natura ne oferă deja
structuri într-adevăr splendide la scară nanometrică.
Dar dacă le-am putea exploata
și convinge să nu fie un anticorp
ca HIV-ul?
Dar dacă le-am putea convinge
să creeze o celulă solară pentru noi?
Câteva exemple: astea sunt niște scoici naturale.
Sunt materiale biologice naturale.
Scoica abalone -- dacă o rupem,
vedem că e nano-structurată.
Diatomeele făcute din SiO2,
sunt bacterii magnetotactice
care creează mici magneți uni-polari folosiți în navigație.
Ce au toate acestea în comun
e că aceste materiale sunt produse la scară nanometrică,
și că au o genă ADN
care codifică secvența unei proteine,
care le oferă schița
de-a construi aceste structuri cu adevărat uimitoare.
Revenind la scoica abalone,
organismul structurează scoica folosind aceste proteine.
Aceste proteine sunt încărcate puternic negativ.
Pot extrage calciu din mediu,
alternează un strat de calciu cu unul de carbonat, calciu, apoi carbonat.
Are secvența chimică a aminoacizilor
care spune, "Uite așa construiești structura.
Asta e secvența ADN,
iar asta secvența proteică necesară."
Ar fi interesant dacă am putea folosi orice material dorim,
sau orice element din tabelul periodic,
și i-am găsi secvența ADN corespunzătoare,
care să codifice o structură proteică corespunzătoare
capabilă să construiască o structură,
nu o scoică abalone, ceva pe care natura
n-a avut încă șansa s-o creeze.
Aici avem tabelul periodic.
Ador tabelul periodic.
În fiecare an pentru noii boboci veniți la MIT,
am un tabel periodic pe care scrie,
"Bine ați venit la MIT. Acum sunteți în elementul vostru."
Îl intoarcem pe verso și acolo avem aminoacizii
cu PH-ul la care au diferite încărcături.
O distribui la mii de studenți.
Știu că scrie MIT, și ăsta e Caltech,
dar am câteva în plus dacă cineva din afară dorește.
Și am avut mare noroc
ca președintele Obama să-mi viziteze laboratorul
anul ăsta în timpul vizitei sale la MIT.
Vroiam tare mult să-i dau un tabel periodic.
Am stat trează noaptea, am vorbit cu soțul meu,
"Cum îi dau președintelui Obama un tabel periodic?
Dacă zice, 'Oh, am deja unul,'
sau, 'L-am memorat deja'?"
Deci a venit să-mi viziteze laboratorul,
s-a uitat împrejur, a fost o vizită grozavă.
Și apoi am zis,
"Domnule, vreau să vă ofer tabelul periodic
în cazul în care vreodată într-o situație trebuie să calculați greutatea moleculară."
Mă gândeam că greutatea moleculară sună mai puțin tocilar
decât masa moleculară.
S-a uitat la el,
și a zis,
"Mulțumesc. O să mă uit peste el periodic."
(Râsete)
(Aplauze)
Mai târziu la o conferință despre energie ecologică pe care a ținut-o,
a scos tabelul și a zis,
"Cei de la MIT împart tabele periodice."
Deci, de fapt, ce nu v-am spus
e că acum 500 milioane de ani orgranismele au început să creeze materiale,
dar le-au trebuit 50 milioane de ani să exceleze.
Le-a luat aprox. 50 de milioane de ani
să învățe cum să facă o scoică abalone perfectă.
Asta e o greu de convins un absolvent:
"Am acest proiect grozav -- 50 de milioane de ani."
Deci a trebuit să găsim o metodă
să facem asta mai repede.
Folosim un virus non-toxic
numit bacteriofag M13
care știe să infecteze bacteriile.
Are o structură ADN simplă
în care putem insera
secvențe adiționale ADN.
Făcând asta, permitem virusului
să exprime aleator secvențe de proteine.
Asta e bio-tehnologie destul de simplă.
Se poate repeta de un miliard de ori.
Putem continua și crea un miliard de virusuri diferite
care genetic sunt identice,
dar se diferențiază unul de celălalt la extremități,
cu o singură secvență
care programează o proteină.
Dacă iei tot miliardul de viruși,
și-i pui într-o picătură de lichid,
îi poți forța să interacționeze cu orice element vrei din tabelul periodic.
Și printr-un proces selectiv de evoluție,
poți extrage unul dintr-un miliard care face ce vrei tu să facă,
de ex. să cultive o baterie sau o celulă solară.
Virușii nu se pot multiplica singuri, au nevoie de o gazdă.
Odată ce-l găsești pe acela dintr-un miliard,
infectezi o bacterie cu el,
și obții milioane și miliarde de copii
ale acelei secvențe speciale.
Alt aspect admirabil în biologie
e că biologia oferă structuri cu adevărat splendide
cu solzi fini de legătură.
Acești viruși sunt lungi și subțiri,
îi putem ajusta să exprime abilitatea
de-a crea ceva asemănător semiconductorilor
sau materialelor pentru baterii.
Asta e o baterie de mare putere creată în laboratorul meu.
Am conceput un virus care să culeagă nanotubi de carbon.
O parte a virusului apucă un nanotub de carbon.
Cealaltă parte a virusului are o secvență
care poate crește un material electrod pentru o baterie.
Apoi se leagă singur la colectorul de curent.
Astfel printr-un proces de evoluție selectivă,
am evoluat de la un virus care făcea o baterie de slabă,
la un virus care făcea o baterie bună,
la un virus care face o baterie de mare putere, ieșită din tipare,
întru-totul creată la temperaturi obișnuite.
Această baterie a ajuns la Casa Albă la o conferință de presă.
Am adus-o aici cu mine.
O vedeți în acest caz iluminând acest LED.
Dacă am putea mări scara,
am putea-o folosi
să punem în mișcare Prius-ul,
visul meu -- să conduc o mașină cu energie furnizată de un virus.
Dar în principiu --
puteți alege unul dintr-un miliard.
Puteți realiza o gramadă de amplificări.
Practic, faceți o amplificare în laborator.
Apoi îl faceți să se asambleze singur
într-o structură similară unei baterii.
Putem face asta și prin cataliză.
Acesta e exemplul
de disociere fotocatalictică a apei.
Și ce am realizat
e să proiectăm un virus care ia moleculele ce absorb culoarea,
le aliniază pe suprafața virusului,
deci acționează ca o antenă,
și obții un transfer de energie de-a lungul virusului.
Apoi îi inserăm o a doua genă
care-i dictează cum să creeze un material anorganic
folosit să disocieze apa
în hidrogen și oxigen,
care poate fi folosit drept combustibil nepoluant.
Am adus un exemplar cu mine.
Studenții mei mi-au promis că va merge.
Astea sunt nanofire asamblate de virus.
Când sunt iluminate le vezi făcând bule.
În acest caz, vedeți ieșind bule de oxigen.
Practic controlând genele,
controlăm materiale multiple pentru a îmbunătăți performanța dispozitivului.
Ultimul exemplu sunt celulele solare.
Puteți face asta și cu celulele solare.
Am reușit să proiectăm virusuri
care să culeagă nanotubi de carbon
și să crească apoi dioxid de titaniu împrejurul lor --
folosim asta ca o cale de a trece electronii prin dispozitiv.
Am descoperit că prin inginerie genetică
putem crește
eficiența acestor celule solare
la cifre record
la aceste tipuri de sisteme colorant-sensibilizate.
Am adus și unul dintre acestea
că să vă jucați mai târziu cu el afară.
Asta e o celula bazată pe un virus.
Prin evoluție și selecție,
am crescut eficiența celulei solare
de la 8% la 11%.
Sper că v-am convins
că sunt o gramadă de lucruri minunate, interesante de învățat
despre cum creează natura materialele --
și s-o ducem la următorul nivel,
să vedem dacă putem forța,
sau profita de felul în care natura creează materialele,
pentru a crea lucruri pe care natura n-a visat încă să le creeze.
Mulțumesc.