Angela Blecher: Mit der Natur Batterien schaffen
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0:00 - 0:03Ich dachte, ich erzähle ein wenig davon, wie die Natur Stoffe schafft.
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0:03 - 0:05Hier habe ich eine Abalone-Muschel.
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0:05 - 0:08Diese Abalone-Muschel ist ein Biokomposit,
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0:08 - 0:11das zu 98 Massenprozent aus Calziumkarbonat besteht
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0:11 - 0:13und zwei Massenprozent Eiweiß.
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0:13 - 0:15Dennoch ist es 3000 Mal so hart
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0:15 - 0:17wie sein geologisches Gegenstück.
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0:17 - 0:20Und viele Menschen nutzen wohl Strukturen wie die Abalone-Muschel,
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0:20 - 0:22wie zum Beispiel Tafelkreide.
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0:22 - 0:24Mich fasziniert schon lang, wie die Natur Stoffe hervorbringt,
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0:24 - 0:26und es kommt eine Menge zusammen,
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0:26 - 0:28dass sie darin so hervorragend ist.
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0:28 - 0:30Ein Teil ist, dass diese Materialien
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0:30 - 0:32eine makroskopische Struktur haben,
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0:32 - 0:34jedoch auf der Nanoebene gebildet werden.
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0:34 - 0:36Sie werden auf der Nanoebene gebildet,
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0:36 - 0:39und sie nutzen Proteine, die auf genetischer Ebene kodiert sind
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0:39 - 0:42und ihnen erlauben, diese wirklich vorzüglichen Strukturen hervorzubringen.
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0:42 - 0:44Daher bin ich manchmal fasziniert von der Idee
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0:44 - 0:47diesen unbelebten Strukturen
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0:47 - 0:49Leben einzuhauchen,
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0:49 - 0:51wie Batterien und Solarzellen.
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0:51 - 0:53Was, wenn sie einige der Fähigkeiten
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0:53 - 0:55der Abalone-Muschel hätten,
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0:55 - 0:57also in der Lage wären,
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0:57 - 0:59diese vorzüglichen Strukturen zu schaffen,
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0:59 - 1:01bei Raumtemperatur und -druck,
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1:01 - 1:03ohne giftige Chemikalien
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1:03 - 1:06und ohne Umweltvergiftung?
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1:06 - 1:09Das ist also die Vision, die ich seit langem habe.
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1:09 - 1:11Und was, wenn man eine Batterie in einer Petrischale züchten könnte?
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1:11 - 1:14Oder man einer Batterie genetische Information geben könnte,
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1:14 - 1:16so dass sie tatsächlich
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1:16 - 1:18mit der Zeit besser wird,
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1:18 - 1:20und das auf umweltfreundliche Art?
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1:20 - 1:23Und wenn wir nun zur Abalone-Muschel zurückkehren,
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1:23 - 1:25abgesehen von ihrer Nanostruktur
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1:25 - 1:27begeistert eine Sache:
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1:27 - 1:29wenn eine männliche und eine weibliche Abalone zusammen kommen,
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1:29 - 1:31geben sie genetische Information weiter,
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1:31 - 1:34die sagt: "So baut man ein vorzügliches Material.
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1:34 - 1:36So macht man es bei Raumtemperatur und -druck,
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1:36 - 1:38ohne giftige Stoffe."
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1:38 - 1:41Genauso bei Kieselalgen, gläsernen Strukturen, die man hier sieht.
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1:41 - 1:43Jedes Mal, wenn die Kieselalgen sich vermehren,
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1:43 - 1:45geben sie genetische Information weiter, die sagt:
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1:45 - 1:47"So wird Glas im Meer gemacht,
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1:47 - 1:49das eine perfekte Nanostruktur hat.
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1:49 - 1:51Und das kann man beliebig wiederholen."
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1:51 - 1:53Was wäre, wenn man dassselbe
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1:53 - 1:55mit einer Solarzelle oder Batterie machen könnte?
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1:55 - 1:58Mein liebstes Biomaterial ist ja mein Vierjähriger.
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1:58 - 2:01Aber jeder der mal eins hatte, oder kleine Kinder kennt weiß,
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2:01 - 2:04dass sie unglaublich komplexe Organismen sind.
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2:04 - 2:06Wenn man sie also überzeugen wollte,
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2:06 - 2:08etwas zu tun, das sie nicht wollen, ist das sehr schwierig.
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2:08 - 2:11Wenn wir über zukünftige Technologien nachdenken,
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2:11 - 2:13denken wir daher eher an den Gebrauch von Bakterien und Viren,
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2:13 - 2:15einfachen Organismen.
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2:15 - 2:17Kann man sie dafür gewinnen, mit einem neuen Werkzeugsatz zu arbeiten,
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2:17 - 2:19damit sie Strukturen hervorbringen,
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2:19 - 2:21die für mich bedeutsam sind?
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2:21 - 2:23Daneben denken wir an zukünftige Technologien.
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2:23 - 2:25Wir beginnen beim Anfang der Welt.
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2:25 - 2:27Im Grunde brauchte es eine Milliarde Jahre,
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2:27 - 2:29bis auf der Erde Leben enstand.
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2:29 - 2:31Und sehr schnell wurde es vielzellig,
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2:31 - 2:34die Zellen konnten sich teilen, sie konnten Photosynthese
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2:34 - 2:36zur Energiegewinnung einsetzen.
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2:36 - 2:38Aber erst vor etwa 500 Millionen Jahren –
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2:38 - 2:40während der Kambrischen Ära –
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2:40 - 2:43begannen Meeresorganismen, harte Stoffe zu bilden.
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2:43 - 2:46Davor gab es nur weiche, flockige Strukturen.
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2:46 - 2:48Und während dieser Zeit
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2:48 - 2:50gab es vermehrt Kalzium, Eisen
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2:50 - 2:52und Silikon in der Lebenswelt.
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2:52 - 2:55Da lernten die Organismen, harte Stoffe zu bilden.
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2:55 - 2:57Das würde ich also gern können –
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2:57 - 2:59die Biologie dazu bringen,
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2:59 - 3:01mit dem übrigen Teil des Periodensystems zu arbeiten.
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3:01 - 3:03Wenn man nun die Biologie betrachtet,
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3:03 - 3:05gibt es viele Strukturen wie DNS und Antikörper
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3:05 - 3:07und Proteine und Ribosomen von denen man gehört hat,
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3:07 - 3:09dass sie bereits nanostrukturiert sind.
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3:09 - 3:11Die Natur zeigt uns also bereits
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3:11 - 3:13wirklich bemerkenswerte Strukturen im Nanomaßstab.
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3:13 - 3:15Was, wenn wir sie einspannen könnten,
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3:15 - 3:17und überzeugen, kein Antikörper zu sein,
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3:17 - 3:19der etwas wie HIV hervorbringt?
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3:19 - 3:21Was aber, wenn wir sie dazu bringen könnten,
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3:21 - 3:23eine Solarzelle für uns zu bauen?
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3:23 - 3:25Hier nun einige Beispiele: dies sind einige natürliche Muscheln.
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3:25 - 3:27Es gibt natürliche biologische Materialien.
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3:27 - 3:29Die Abalone-Muschel hier – und wenn man sie bricht,
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3:29 - 3:31kann man feststellen, das sie eine Nanostruktur hat.
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3:31 - 3:34Diese Diatome sind aus Siliziumdioxid,
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3:34 - 3:36und sie sind magnetotaktische Bakterien,
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3:36 - 3:39die kleine einpolige Magneten zur Navigation ausbilden.
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3:39 - 3:41Sie alle haben gemeinsam,
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3:41 - 3:43dass diese Materialen im Nanomaßstab strukturiert sind,
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3:43 - 3:45und sie haben eine DNS-Sequenz,
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3:45 - 3:47die eine Proteinsequenz beschreibt,
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3:47 - 3:49die ihnen Vorlage ist,
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3:49 - 3:51damit sie diese wunderbaren Strukturen bilden können.
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3:51 - 3:53Nun, kommen wir zurück zur Abalone-Muschel:
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3:53 - 3:56die Abalone produziert diese Muschel, weil sie diese Proteine hat.
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3:56 - 3:58Diese Proteine sind stark negativ geladen.
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3:58 - 4:00Und sie können Kalzium aus der Umgebung anziehen,
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4:00 - 4:03und eine Schicht aus Kalzium und dann Karbonat bilden, Kalzium und Karbonat.
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4:03 - 4:06Sie hat die chemischen Strukturen von Aminosäuren
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4:06 - 4:08die sagen: "So wird diese Struktur gemacht.
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4:08 - 4:10Hier ist die DNS-Sequenz, hier die Proteinsequenz,
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4:10 - 4:12damit es klappt."
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4:12 - 4:15Der interessante Aspekt ist, was man tun könnte, wenn man jedes beliebige Material
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4:15 - 4:17oder jedes Element der Periodentafel nehmen könnte,
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4:17 - 4:20und die korrespondierende DNS-Sequenz finden,
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4:20 - 4:22diese dann für die entsprechende Proteinsequenz programmierte,
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4:22 - 4:25damit eine Struktur einstünde, aber keine Abalone-Muschel –
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4:25 - 4:27etwas zu bauen, auf natürlichen Weg,
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4:27 - 4:30für das es vorher keine Gelegenheit hatte.
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4:30 - 4:32Hier nun die Periodentafel.
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4:32 - 4:34Und ich liebe die Periodentafel sehr.
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4:34 - 4:37Jedes Jahr wenn die Neulinge ans MIT kommen,
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4:37 - 4:39lasse ich eine Periodentafel machen, auf der steht:
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4:39 - 4:42"Wilkommen am MIT, ihr seid nun in eurem Element."
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4:42 - 4:45Und wenn man es umschlägt sieht man die Aminosäuren
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4:45 - 4:47mit den PH-Werten, bei denen sie verschiedene Ladungen haben.
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4:47 - 4:50So verteile ich das an tausende Leute.
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4:50 - 4:52Und obwohl MIT draufsteht und wir hier in Caltech sind,
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4:52 - 4:54habe ich ein paar mehr dabei, falls jemand eins will.
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4:54 - 4:56Ich hatte das Glück,
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4:56 - 4:58dass Präsident Obama dieses Jahr mein Labor besuchte,
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4:58 - 5:00während seines Besuchs am MIT,
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5:00 - 5:02und ich wollte ihm unbedingt eine Periodentafel schenken.
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5:02 - 5:04Daher blieb ich die ganze Nacht auf, und redete mit meinem Mann,
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5:04 - 5:07"Wie gebe ich Präsident Obama eine Periodentafel?
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5:07 - 5:09Was, wenn er sagt, 'Ah, ich habe schon eine', oder
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5:09 - 5:11'Die kenne ich schon auswendig'?"
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5:11 - 5:13Er kam also in mein Labor,
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5:13 - 5:15sah sich um – es war ein großartiger Besuch.
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5:15 - 5:17Danach sagte ich dann,
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5:17 - 5:19"Sir, ich möchte Ihnen eine Periodentafel schenken,
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5:19 - 5:23falls Sie jemals ein Molekülgewicht berechnen müssen."
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5:23 - 5:25Und ich dachte, Molekülgewicht klänge weniger streberhaft
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5:25 - 5:27als Molekülmasse.
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5:27 - 5:29Er sah es sich also an
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5:29 - 5:31und sagte:
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5:31 - 5:33"Danke, ich werde es mir periodisch ansehen."
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5:33 - 5:35(Lachen)
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5:35 - 5:39(Applaus)
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5:39 - 5:42Und später bei einem Vortrag, den er zu sauberer Energie hielt,
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5:42 - 5:44nahm der die Tafel hervor und sagte:
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5:44 - 5:46"Von den Leuten am MIT bekommt man Periodentafeln."
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5:46 - 5:49Also, was ich Ihnen nicht erzählt habe,
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5:49 - 5:52ist dass vor etwa 500 Millionen Jahren, Organismen begannen Stoffe herzustellen,
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5:52 - 5:54aber es dauerte fast 50 Millionen Jahre, bis sie gut darin waren.
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5:54 - 5:56Sie brauchten fast 50 Millionen Jahre,
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5:56 - 5:58um zu lernen wie man den Bau einer Abalone-Muschel perfektioniert.
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5:58 - 6:00Das ist Studenten im Aufbaustudium schwer zu verkaufen.
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6:00 - 6:03"Ich habe diese tolle Projekt – 50 Millionen Jahre."
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6:03 - 6:05Wir mussten daher einen Weg finden,
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6:05 - 6:07für unseren Versuch, dies schneller zu tun.
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6:07 - 6:09Wir nehmen also ein Virus, das ungiftig ist,
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6:09 - 6:11M13 Bakteriophagus heißt,
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6:11 - 6:13und Bakterien befällt.
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6:13 - 6:15Es hat eine einfache DNS-Struktur
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6:15 - 6:17die man teilen kann, um
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6:17 - 6:19zusätzliche DNS-Sequenzen einzufügen.
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6:19 - 6:21Und dadurch wird es dem Virus möglich,
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6:21 - 6:24beliebige Proteinstrukturen hervor zu bringen.
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6:24 - 6:26Das ist ziemlich einfache Biotechnologie.
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6:26 - 6:28Man könnte das im Grunde eine Million Mal machen.
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6:28 - 6:30Man kann also eine Milliarde verschiedene Viren erhalten,
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6:30 - 6:32die genetisch alle identisch sind,
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6:32 - 6:34aber verschieden hinsichtlich der Spitzen
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6:34 - 6:36einer Sequenz
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6:36 - 6:38die ein Protein kodiert.
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6:38 - 6:40Wenn man nun die Milliarde Viren nimmt –
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6:40 - 6:42und sie passen alle in einen Tropfen Flüssigkeit –
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6:42 - 6:45kann man sie zwingen, mit irgendwas im Periodensystem zu interagieren.
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6:45 - 6:47Und durch eine Abfolge von Auswahl-Evolution,
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6:47 - 6:50kann man eines aus einer Milliarde fischen, das tut was man will,
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6:50 - 6:52wie zum Beispiel eine Batterie oder eine Solarzelle wachsen lassen.
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6:52 - 6:55Grundsätzlich können Viren sich nicht selbst vermehren, sie brauchen einen Wirt.
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6:55 - 6:57Sobald man das eine in der Milliarde gefunden hat,
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6:57 - 6:59infiziert man ein Bakterium,
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6:59 - 7:01und erhält Millionen und Milliarden Kopien
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7:01 - 7:03dieser speziellen Sequenz.
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7:03 - 7:05Was daher noch schön ist an der Biologie,
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7:05 - 7:07ist dass Biologie wirklich für vorzügliche Strukturen sorgt
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7:07 - 7:09mit schönen Größenordnungen der Verknüpfungen.
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7:09 - 7:11Und diese Viren sind lang und dünn,
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7:11 - 7:13und wir können ihnen beibringen, die Fähigkeit zu zeigen,
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7:13 - 7:15etwas wie Halbleiter wachsen zu lassen,
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7:15 - 7:17oder Stoffe für Batterien.
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7:17 - 7:20Nun, dies ist eine leistungsstarke Batterie, die wir in unserem Labor haben wachsen lassen.
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7:20 - 7:23Wir haben einen Virus so manipuliert, dass er Kohlenstoff-Nanoröhren aufnimmt.
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7:23 - 7:25Der eine Teil des Virus nimmt also Kohlenstoff-Nanoröhren auf,
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7:25 - 7:27der andere Teil des Virus hat eine Sequenz,
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7:27 - 7:30die ein Elektrodenmaterial für eine Batterie wachsen lassen kann.
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7:30 - 7:33Und dann verbindet es sich mit dem Spannungskollektor.
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7:33 - 7:35Und so kamen über einen Prozess selektiver Evolution
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7:35 - 7:38von einem Virus, das eine lausige Batterie machte,
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7:38 - 7:40zu einem Virus, das eine gute Batterie machte,
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7:40 - 7:43zu einem Virus, das eine Rekord brechende, leistungsstarke Batterie machte,
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7:43 - 7:46und das alles bei Raumtemperatur, im Grunde auf der Werkbank.
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7:46 - 7:49Und diese Batterie ging ans Weiße Haus anlässlich einer Pressekonferenz.
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7:49 - 7:51Ich hab sie mitgebracht.
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7:51 - 7:54Sie können sie hier in diesem Gehäuse sehen – sie treibt diese LED.
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7:54 - 7:56Wenn wir das nun skalieren könnten,
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7:56 - 7:58könnte man es tatsächlich benutzen,
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7:58 - 8:00um einen Prius anzutreiben,
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8:00 - 8:03was mein Traum ist – in der Lage zu sein, ein virusgetriebenes Auto zu fahren.
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8:04 - 8:06Aber im Grunde –
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8:06 - 8:09man nimmt einen aus einer Milliarde.
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8:09 - 8:11Man kann es auf vielerlei Weise verstärken.
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8:11 - 8:13Normalerweise macht man die Verstärkung im Labor,
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8:13 - 8:15und dann bringt man es dazu, sich selbst
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8:15 - 8:17in die Struktur einer Batterie zusammenzufügen.
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8:17 - 8:19Wir können das auch katalysieren.
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8:19 - 8:21Hier ist ein Beispiel
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8:21 - 8:23von photokatalytischer Wassertrennung.
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8:23 - 8:25Und wir haben es geschafft,
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8:25 - 8:28das Virus dazu zu bringen, im Grunde farbabsorbierende Moleküle
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8:28 - 8:30zu nehmen, und diese auf der Oberfläche des Virus aufzureihen,
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8:30 - 8:32damit es als Antenne fungiert,
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8:32 - 8:34und man einen Energietransfer durch das Virus bekommt.
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8:34 - 8:36Dann bringen wir ein zweites Gen ein,
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8:36 - 8:38um ein anorganisches Material zu erzeugen,
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8:38 - 8:40dass für die Spaltung des Wassers in Sauerstoff
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8:40 - 8:42und Wasserstoff benutzt werden kann,
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8:42 - 8:44der für saubere Treibstoffe verwendet werden kann.
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8:44 - 8:46Davon habe ich heute ein Exemplar dabei.
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8:46 - 8:48Meine Studenten haben mir versprochen, dass es funktioniert.
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8:48 - 8:50Das sind Nanokabel, die von Viren verlegt wurden.
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8:50 - 8:53Wenn man sie Licht aussetzt, kann man Blasen sehen.
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8:53 - 8:56In diesem Fall sieht man Sauerstoffblasen heraus kommen.
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8:57 - 9:00Im Prinzip kann man durch Steuerung der Gene
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9:00 - 9:03verschiedene Materialien steuern, um die Geräteleistung zu verbessern.
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9:03 - 9:05Das letzte Beispiel sind Solarzellen.
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9:05 - 9:07Man kann dies auch mit Solarzellen machen.
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9:07 - 9:09Wir konnten Viren dazu bringen,
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9:09 - 9:11Nanoröhren aufzunehmen
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9:11 - 9:15und auf ihnen Titaniumdioxid anzulagern –
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9:15 - 9:19damit Elektronen durch das Gerät hindurch können.
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9:19 - 9:21Wir haben herausgefunden – mittels Gentechnik –
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9:21 - 9:23dass wir tatsächlich die Effizienz
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9:23 - 9:26dieser Solarzellen auf Rekordzahlen
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9:26 - 9:28erhöhen können,
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9:28 - 9:31bei dieser Art farbsensitivierter Systeme.
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9:31 - 9:33Und davon habe ich auch eins mitgebracht,
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9:33 - 9:36mit dem Sie später draußen herumspielen können.
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9:36 - 9:38Dies ist also eine Solarzelle auf Basis eines Virus.
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9:38 - 9:40Mittels Evolution und Selektion
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9:40 - 9:43haben wir aus einer Solarzelle mit acht Prozent Wirkungsgrad
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9:43 - 9:46eine Solarzelle mit elf Prozent Wirkungsgrad gemacht.
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9:46 - 9:48Ich hoffe, ich konnte Sie überzeugen,
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9:48 - 9:51dass es eine Menge großartiger, interessanter Dinge zu lernen gibt,
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9:51 - 9:53darüber wie die Natur Stoffe bildet –
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9:53 - 9:55und wie man das auf die nächste Stufe hebt,
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9:55 - 9:57um zu sehen, ob man die Art der natürlichen Stofferzeugung
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9:57 - 9:59forcieren kann, oder sie dazu nutzen,
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9:59 - 10:02Dinge herzustellen, deren Herstellung die Natur sich bislang nicht hat träumen lassen.
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10:02 - 10:04Ich danke Ihnen.
- Title:
- Angela Blecher: Mit der Natur Batterien schaffen
- Speaker:
- Angela Belcher
- Description:
-
Von einer Abalone-Muschel inspiriert, programmiert Angela Belcher Viren darauf, elegante Nanostrukturen zu erzeugen, die von Menschen genutzt werden können. Durch die Auswahl hochleistungsfähiger Gene mittels gesteuerter Evulotion erzeugt sie Viren, die kraftvolle neue Batterien hervorbringen, saubere Wasserstoff-Treibstoffe und rekordbrechende Solarzellen. Bei TEDxCaltech zeigt sie uns, wie das geht.
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 10:05
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