WEBVTT

00:00:00.000 --> 00:00:03.000
Я немного расскажу о том, как природа делает материалы.

00:00:03.000 --> 00:00:05.000
Я принесла с собой раковину морского ушка.

00:00:05.000 --> 00:00:08.000
Эта раковина состоит из биокомпозитного материала.

00:00:08.000 --> 00:00:11.000
На 98 процентов из карбоната кальция

00:00:11.000 --> 00:00:13.000
и на два процента из протеина.

00:00:13.000 --> 00:00:15.000
В то же время, она в 3000 раз прочнее

00:00:15.000 --> 00:00:17.000
своего геологического аналога.

00:00:17.000 --> 00:00:20.000
Много людей используют структуры как в этой ракушке,

00:00:20.000 --> 00:00:22.000
например мел.

00:00:22.000 --> 00:00:24.000
Я была поражена тем, как природа создает материалы

00:00:24.000 --> 00:00:26.000
и, есть определенная последовательность того,

00:00:26.000 --> 00:00:28.000
каким образом они делают такую утонченную работу.

00:00:28.000 --> 00:00:30.000
Частично потому что эти материалы

00:00:30.000 --> 00:00:32.000
макроскопические в своей структуре,

00:00:32.000 --> 00:00:34.000
но формируются они на нано-уровне.

00:00:34.000 --> 00:00:36.000
Они формируются в масштабе наночастиц

00:00:36.000 --> 00:00:39.000
и используют протеины, которые кодируются на генетическом уровне,

00:00:39.000 --> 00:00:42.000
что позволяет им строить такие утонченные структуры.

NOTE Paragraph

00:00:42.000 --> 00:00:44.000
Я думаю, было бы восхитительно,

00:00:44.000 --> 00:00:47.000
если бы мы смогли дать жизнь

00:00:47.000 --> 00:00:49.000
неживым структурам,

00:00:49.000 --> 00:00:51.000
как батарейки или солнечные элементы?

00:00:51.000 --> 00:00:53.000
Что, если бы у них были те же способности,

00:00:53.000 --> 00:00:55.000
как и у раковины морского ушка,

00:00:55.000 --> 00:00:57.000
то есть они смогли бы

00:00:57.000 --> 00:00:59.000
строить очень утонченные структуры

00:00:59.000 --> 00:01:01.000
при комнатной температуре и комнатном давлении,

00:01:01.000 --> 00:01:03.000
используя нетоксичные химические элементы,

00:01:03.000 --> 00:01:06.000
и в то же время не производя токсичные элементы в окружающую среду?

00:01:06.000 --> 00:01:09.000
Это концепция, о которой я думала.

00:01:09.000 --> 00:01:11.000
И что, если бы вы могли вырастить батарейку в чашке Петри?

00:01:11.000 --> 00:01:14.000
Или, что если бы вы смогли передать генетическую информацию батарейке

00:01:14.000 --> 00:01:16.000
так, чтобы она стала

00:01:16.000 --> 00:01:18.000
дольше работать

00:01:18.000 --> 00:01:20.000
и не загрязнять окружающую среду?

NOTE Paragraph

00:01:20.000 --> 00:01:23.000
Итак, возвращаясь к раковине морского ушка,

00:01:23.000 --> 00:01:25.000
кроме того, что она является нано-структурой,

00:01:25.000 --> 00:01:27.000
еще одна захватывающая вещь -

00:01:27.000 --> 00:01:29.000
это когда мужская и женская особь встречаются,

00:01:29.000 --> 00:01:31.000
они передают генетическую информацию,

00:01:31.000 --> 00:01:34.000
которая говорит: "Вот так нужно строить такой сложный материал.

00:01:34.000 --> 00:01:36.000
Вот так делать его при комнатной температуре и давлении,

00:01:36.000 --> 00:01:38.000
используя нетоксичные материалы."

00:01:38.000 --> 00:01:41.000
То же самое с диатомеями, которые показаны вот здесь и являются структурами из стекла.

00:01:41.000 --> 00:01:43.000
Каждый раз, когда диатомеи воспроизводятся,

00:01:43.000 --> 00:01:45.000
они передают генетическую информацию, которая говорит

00:01:45.000 --> 00:01:47.000
"Вот так строится стекло в океане,

00:01:47.000 --> 00:01:49.000
которое является идеальной нано-структурой.

00:01:49.000 --> 00:01:51.000
И ты можешь повторить это снова и снова".

00:01:51.000 --> 00:01:53.000
А что если можно сделать то же самое

00:01:53.000 --> 00:01:55.000
с солнечным элементом или батарейкой?

00:01:55.000 --> 00:01:58.000
Мой любимый биоматериал - это мой четырехлетний ребенок.

NOTE Paragraph

00:01:58.000 --> 00:02:01.000
Но все, кто имел дело с маленькими детьми,

00:02:01.000 --> 00:02:04.000
знают, что они - невероятно сложные организмы.

00:02:04.000 --> 00:02:06.000
И если вы хотите уговорить их

00:02:06.000 --> 00:02:08.000
делать то, что они не хотят - это очень сложно.

00:02:08.000 --> 00:02:11.000
Поэтому, когда мы думаем о технологиях будущего,

00:02:11.000 --> 00:02:13.000
мы думаем об использовании бактерий или вирусов -

00:02:13.000 --> 00:02:15.000
простых организмов.

00:02:15.000 --> 00:02:17.000
Могу ли я уговорить их работать с новыми инструментами,

00:02:17.000 --> 00:02:19.000
чтобы они смогли строить структуры,

00:02:19.000 --> 00:02:21.000
нужные мне.

NOTE Paragraph

00:02:21.000 --> 00:02:23.000
Мы, конечно, думаем о будущих технологиях.

00:02:23.000 --> 00:02:25.000
Мы начнем с возникновения Земли.

00:02:25.000 --> 00:02:27.000
Понадобился примерно миллиард лет,

00:02:27.000 --> 00:02:29.000
чтобы на Земле зародилась жизнь.

00:02:29.000 --> 00:02:31.000
И очень скоро, она стала многоклеточной,

00:02:31.000 --> 00:02:34.000
организмы смогли воспроизводиться, использовать фотосинтез,

00:02:34.000 --> 00:02:36.000
как источник энергии.

00:02:36.000 --> 00:02:38.000
Однако, только около 500 миллионов лет назад -

00:02:38.000 --> 00:02:40.000
во время кембрийского геологического периода -

00:02:40.000 --> 00:02:43.000
эти организмы в океане стали делать твердые материалы.

00:02:43.000 --> 00:02:46.000
До этого они все были мягкими, слабыми структурами.

00:02:46.000 --> 00:02:48.000
Именно в это время

00:02:48.000 --> 00:02:50.000
количество кальция, железа и кремния

00:02:50.000 --> 00:02:52.000
в окружающей среде увеличилось.

00:02:52.000 --> 00:02:55.000
И организмы научились делать твердые материалы.

00:02:55.000 --> 00:02:57.000
Это то, что я хотела бы научиться делать -

00:02:57.000 --> 00:02:59.000
убедить биологию

00:02:59.000 --> 00:03:01.000
работать с остальной периодической таблицей.

NOTE Paragraph

00:03:01.000 --> 00:03:03.000
Если вы взглянете на биологию,

00:03:03.000 --> 00:03:05.000
то здесь существует много структур, таких как ДНК, антитела,

00:03:05.000 --> 00:03:07.000
протеины и рибосомы, о которых вы слышали,

00:03:07.000 --> 00:03:09.000
которые и так являются нано-структурами.

00:03:09.000 --> 00:03:11.000
То есть природа уже дает нам

00:03:11.000 --> 00:03:13.000
очень сложные структуры в масштабе наночастиц.

00:03:13.000 --> 00:03:15.000
Что, если бы смогли запрячь их

00:03:15.000 --> 00:03:17.000
и убедить их не быть антителами,

00:03:17.000 --> 00:03:19.000
которые, например, вызывают ВИЧ?

00:03:19.000 --> 00:03:21.000
Что, если бы мы смогли убедить их

00:03:21.000 --> 00:03:23.000
построить для нас солнечный элемент?

00:03:23.000 --> 00:03:25.000
Вот несколько примеров: несколько естественных раковин.

NOTE Paragraph

00:03:25.000 --> 00:03:27.000
Естественный биологический материал.

00:03:27.000 --> 00:03:29.000
Вот раковина морского ушка, если вы ее разломите,

00:03:29.000 --> 00:03:31.000
то увидите что это нано-структура.

00:03:31.000 --> 00:03:34.000
Здесь есть диатомеи, сделанные из кварца,

00:03:34.000 --> 00:03:36.000
и бактерия-магнетотактик,

00:03:36.000 --> 00:03:39.000
которая делает одиночные магниты, используемые для навигации.

00:03:39.000 --> 00:03:41.000
Общее у них то,

00:03:41.000 --> 00:03:43.000
что все эти материалы состоят из нано-структур.

00:03:43.000 --> 00:03:45.000
Последовательность их ДНК

00:03:45.000 --> 00:03:47.000
кодирует последовательность протеинов,

00:03:47.000 --> 00:03:49.000
которая передает им шаблон,

00:03:49.000 --> 00:03:51.000
по которому они могут строить эти великолепные структуры.

00:03:51.000 --> 00:03:53.000
Теперь, возвращаясь к раковине морского ушка,

00:03:53.000 --> 00:03:56.000
морское ушко делает раковину, используя эти протеины.

00:03:56.000 --> 00:03:58.000
Эти протеины очень отрицательно заряжены.

00:03:58.000 --> 00:04:00.000
Они собирают кальций из окружающей среды,

00:04:00.000 --> 00:04:03.000
складывают слоями кальций и карбонат, кальций и карбонат.

00:04:03.000 --> 00:04:06.000
Существующая химическая последовательность аминокислот

00:04:06.000 --> 00:04:08.000
говорит: "Вот так нужно строить структуру.

00:04:08.000 --> 00:04:10.000
Вот последовательность ДНК и последовательность протеинов,

00:04:10.000 --> 00:04:12.000
и их порядок."

00:04:12.000 --> 00:04:15.000
А что, если бы можно было сделать любой материал

00:04:15.000 --> 00:04:17.000
или элемент из периодической таблицы

00:04:17.000 --> 00:04:20.000
и найти соответствующую последовательность ДНК,

00:04:20.000 --> 00:04:22.000
потом закодировать соответствующую последовательность протеинов,

00:04:22.000 --> 00:04:25.000
чтобы построить структуру, но не раковину,

00:04:25.000 --> 00:04:27.000
а что-то, с чем природа еще

00:04:27.000 --> 00:04:30.000
не имела возможности поработать.

NOTE Paragraph

00:04:30.000 --> 00:04:32.000
Это периодическая таблица.

00:04:32.000 --> 00:04:34.000
Я обожаю периодическую таблицу.

00:04:34.000 --> 00:04:37.000
Каждый год для первокурсников в MIT (Массачусетский технологический институт),

00:04:37.000 --> 00:04:39.000
у меня есть периодическая таблица, на которой написано:

00:04:39.000 --> 00:04:42.000
"Добро пожаловать в MIT. Теперь вы в своей стихии".

00:04:42.000 --> 00:04:45.000
На обратной стороне есть аминокислоты

00:04:45.000 --> 00:04:47.000
и PH при котором они имеют разные заряды.

00:04:47.000 --> 00:04:50.000
Я раздаю ее тысячам людей.

00:04:50.000 --> 00:04:52.000
Я знаю, на ней написано MIT, а мы в Caltech (Калифорнийский технологический институт),

00:04:52.000 --> 00:04:54.000
но у меня есть пара штук, если кто-то захочет.

00:04:54.000 --> 00:04:56.000
Мне очень повезло,

00:04:56.000 --> 00:04:58.000
президент Обама посетил мою лабораторию в этом году,

00:04:58.000 --> 00:05:00.000
когда приезжал в MIT,

00:05:00.000 --> 00:05:02.000
и мне очень хотелось дать ему периодическую таблицу.

00:05:02.000 --> 00:05:04.000
Я не спала всю ночь и говорила своему мужу:

00:05:04.000 --> 00:05:07.000
"Как я дам президенту Обаме периодическую таблицу?

00:05:07.000 --> 00:05:09.000
А если он скажет, что у него уже такая есть или

00:05:09.000 --> 00:05:11.000
что он уже и так ее запомнил?"

00:05:11.000 --> 00:05:13.000
В общем, он пришел в мою лабораторию -

00:05:13.000 --> 00:05:15.000
это был великолепный визит.

00:05:15.000 --> 00:05:17.000
После всего, я сказала,

00:05:17.000 --> 00:05:19.000
"Сэр, я бы хотела дать вам периодическую таблицу,

00:05:19.000 --> 00:05:23.000
если вдруг вам понадобиться сосчитать молекулярный вес".

00:05:23.000 --> 00:05:25.000
И я подумала, что молекулярный вес звучит менее занудно,

00:05:25.000 --> 00:05:27.000
чем молярная масса.

00:05:27.000 --> 00:05:29.000
Он посмотрел на нее

00:05:29.000 --> 00:05:31.000
и сказал:

00:05:31.000 --> 00:05:33.000
"Спасибо. Я буду периодически на нее посматривать".

00:05:33.000 --> 00:05:35.000
(Смех)

00:05:35.000 --> 00:05:39.000
(Аплодисменты)

00:05:39.000 --> 00:05:42.000
Позже, в своей лекции по чистой энергии,

00:05:42.000 --> 00:05:44.000
он достал ее и сказал,

00:05:44.000 --> 00:05:46.000
"И люди в MIT, они раздают периодический таблицы".

NOTE Paragraph

00:05:46.000 --> 00:05:49.000
Я вам еще не сказала,

00:05:49.000 --> 00:05:52.000
что около 500 миллионов лет назад организмы начали делать материалы,

00:05:52.000 --> 00:05:54.000
но им понадобилось 50 миллионов лет, чтобы усовершенствовать их.

00:05:54.000 --> 00:05:56.000
Им понадобилось 50 миллионов лет,

00:05:56.000 --> 00:05:58.000
чтобы научиться делать такую раковину.

00:05:58.000 --> 00:06:00.000
Такой рекламой сложно заинтересовать аспиранта.

00:06:00.000 --> 00:06:03.000
"У меня есть великолепный проект - 50 миллионов лет".

00:06:03.000 --> 00:06:05.000
Поэтому нам пришлось придумать способ,

00:06:05.000 --> 00:06:07.000
чтобы ускорить этот процесс.

00:06:07.000 --> 00:06:09.000
Мы использовали нетоксичный вирус,

00:06:09.000 --> 00:06:11.000
который называется М13 - бактериофаг,

00:06:11.000 --> 00:06:13.000
чья работа - инфицировать бактерии.

00:06:13.000 --> 00:06:15.000
У него очень простая последовательность ДНК,

00:06:15.000 --> 00:06:17.000
поэтому ему можно вставить

00:06:17.000 --> 00:06:19.000
дополнительную ДНК последовательность.

00:06:19.000 --> 00:06:21.000
Это позволяет вирусу

00:06:21.000 --> 00:06:24.000
создавать произвольную последовательность протеинов.

NOTE Paragraph

00:06:24.000 --> 00:06:26.000
И это очень простая биотехнология.

00:06:26.000 --> 00:06:28.000
Можно повторять это миллиард раз.

00:06:28.000 --> 00:06:30.000
Следовательно, можно получить миллиард разных вирусов,

00:06:30.000 --> 00:06:32.000
которые генетически идентичны,

00:06:32.000 --> 00:06:34.000
но различаются друг от друга

00:06:34.000 --> 00:06:36.000
одной последовательностью,

00:06:36.000 --> 00:06:38.000
которая кодирует один протеин.

00:06:38.000 --> 00:06:40.000
Теперь, если мы возьмем миллиард вирусов

00:06:40.000 --> 00:06:42.000
и поместим их в одну каплю жидкости,

00:06:42.000 --> 00:06:45.000
мы сможем заставить их взаимодействовать с любым элементом периодической таблицы.

00:06:45.000 --> 00:06:47.000
И путем выборочной эволюции,

00:06:47.000 --> 00:06:50.000
мы можем выбрать из миллиарда один, который сделает то, что ты захочешь,

00:06:50.000 --> 00:06:52.000
например, вырастит батарейку или солнечный элемент.

NOTE Paragraph

00:06:52.000 --> 00:06:55.000
Вирусы не могут сами воспроизводиться, им нужен носитель.

00:06:55.000 --> 00:06:57.000
Когда мы находим этот один из миллиарда,

00:06:57.000 --> 00:06:59.000
мы инфицируем бактерию

00:06:59.000 --> 00:07:01.000
и делаем миллионы и миллиарды копий

00:07:01.000 --> 00:07:03.000
этой конкретной последовательности.

00:07:03.000 --> 00:07:05.000
Еще одна замечательная вещь в биологии -

00:07:05.000 --> 00:07:07.000
она дает очень утонченные структуры

00:07:07.000 --> 00:07:09.000
с замечательными связями.

00:07:09.000 --> 00:07:11.000
Эти вирусы длинные и тонкие

00:07:11.000 --> 00:07:13.000
и мы можем заставить их

00:07:13.000 --> 00:07:15.000
выращивать, например, полупроводники

00:07:15.000 --> 00:07:17.000
или материал для батареек.

NOTE Paragraph

00:07:17.000 --> 00:07:20.000
Это высоко-мощная батарейка, которую мы вырастили в моей лаборатории.

00:07:20.000 --> 00:07:23.000
Мы разработали вирус, который подбирает нанотрубки.

00:07:23.000 --> 00:07:25.000
Одна часть вируса берет углеродную нанотрубку.

00:07:25.000 --> 00:07:27.000
У другой части есть последовательность,

00:07:27.000 --> 00:07:30.000
которая может вырастить электродный материал для батарейки.

00:07:30.000 --> 00:07:33.000
После этого он прикрепляется к токоприемнику.

00:07:33.000 --> 00:07:35.000
И через процесс выборочной эволюции,

00:07:35.000 --> 00:07:38.000
мы пришли от вируса, который сделал второсортную батарейку

00:07:38.000 --> 00:07:40.000
к вирусу, который сделал хорошую батарейку,

00:07:40.000 --> 00:07:43.000
а потом к вирусу, который сделал очень мощную батарейку.

00:07:43.000 --> 00:07:46.000
Все они были сделаны при комнатной температуре, фактически на обычном столе.

00:07:46.000 --> 00:07:49.000
И эта батарейка ездила в Белый Дом на пресс-конференцию.

00:07:49.000 --> 00:07:51.000
Я принесла ее сюда.

00:07:51.000 --> 00:07:54.000
Сейчас она подсвечивает LED лампочку.

00:07:54.000 --> 00:07:56.000
Если мы сможем изменить масштаб,

00:07:56.000 --> 00:07:58.000
то вы бы смогли использовать ее,

00:07:58.000 --> 00:08:00.000
чтобы ездить на своей Toyota Prius,

00:08:00.000 --> 00:08:03.000
Это моя мечта - ездить на машине, заряженной вирусом.

NOTE Paragraph

00:08:04.000 --> 00:08:06.000
По существу,

00:08:06.000 --> 00:08:09.000
мы выбираем один из миллиарда.

00:08:09.000 --> 00:08:11.000
А потом копируем много раз.

00:08:11.000 --> 00:08:13.000
Копирование происходит в лаборатории.

00:08:13.000 --> 00:08:15.000
А потом они самособираются

00:08:15.000 --> 00:08:17.000
в такую структуру, как батарейка.

00:08:17.000 --> 00:08:19.000
Мы также смогли сделать это с катализом.

00:08:19.000 --> 00:08:21.000
Вот пример

00:08:21.000 --> 00:08:23.000
расщепления воды с помощью фото катализа.

00:08:23.000 --> 00:08:25.000
Мы смогли

00:08:25.000 --> 00:08:28.000
разработать вирус, который фактически окрашивает молекулы

00:08:28.000 --> 00:08:30.000
и выстраивает их на поверхности вируса

00:08:30.000 --> 00:08:32.000
и они работают как антенна,

00:08:32.000 --> 00:08:34.000
которая распределяет энергию по вирусу.

00:08:34.000 --> 00:08:36.000
После этого мы даем ему второй ген,

00:08:36.000 --> 00:08:38.000
который позволяет растить неорганический материал,

00:08:38.000 --> 00:08:40.000
использующийся для расщепления воды

00:08:40.000 --> 00:08:42.000
на кислород и водород,

00:08:42.000 --> 00:08:44.000
который может быть использован как чистое топливо.

00:08:44.000 --> 00:08:46.000
Я принесла сюда образец.

00:08:46.000 --> 00:08:48.000
Мои студенты пообещали, что он будет работать.

00:08:48.000 --> 00:08:50.000
Эти нано-провода собраны вирусом.

00:08:50.000 --> 00:08:53.000
Если на них посветить, можно увидеть пузырьки.

00:08:53.000 --> 00:08:56.000
В данном случае пузырится выходящий кислород.

00:08:57.000 --> 00:09:00.000
Контролируя эти гены,

00:09:00.000 --> 00:09:03.000
мы можем контролировать несколько материалов, чтобы улучшить работу устройства.

NOTE Paragraph

00:09:03.000 --> 00:09:05.000
Последний пример - это солнечные элементы.

00:09:05.000 --> 00:09:07.000
Можно поступить точно так же с солнечными элементами.

00:09:07.000 --> 00:09:09.000
У нас получилось вырастить вирусы,

00:09:09.000 --> 00:09:11.000
которые подбирают углеродные трубки

00:09:11.000 --> 00:09:15.000
и потом выращивают диоксид титана вокруг них,

00:09:15.000 --> 00:09:19.000
чтобы можно было пропускать электроны через устройство.

00:09:19.000 --> 00:09:21.000
Мы обнаружили, что с помощью генной инженерии

00:09:21.000 --> 00:09:23.000
можно увеличить

00:09:23.000 --> 00:09:26.000
эффективность этих солнечных элементов

00:09:26.000 --> 00:09:28.000
до рекордных показателей

00:09:28.000 --> 00:09:31.000
для такого вида светочувствительных систем.

00:09:31.000 --> 00:09:33.000
Я также принесла сюда один экземпляр.

00:09:33.000 --> 00:09:36.000
С ним можно ознакомиться после.

00:09:36.000 --> 00:09:38.000
Это солнечный элемент на основе вируса.

00:09:38.000 --> 00:09:40.000
С помощью эволюции и отбора,

00:09:40.000 --> 00:09:43.000
мы смогли увеличить эффективность с 8 процентов

00:09:43.000 --> 00:09:46.000
до 11 процентов.

NOTE Paragraph

00:09:46.000 --> 00:09:48.000
Надеюсь, я вас убедила,

00:09:48.000 --> 00:09:51.000
что еще очень много интересного можно узнать

00:09:51.000 --> 00:09:53.000
о том, как природа создает материалы

00:09:53.000 --> 00:09:55.000
и подняться на следующую ступеньку,

00:09:55.000 --> 00:09:57.000
чтобы увидеть, сможем ли мы

00:09:57.000 --> 00:09:59.000
воспользоваться знанием того, как природа делает материалы,

00:09:59.000 --> 00:10:02.000
чтобы создать то, о чем природа еще и не мечтала.

NOTE Paragraph

00:10:02.000 --> 00:10:04.000
Спасибо.