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Angela Belcher : Utiliser la nature pour faire pousser des batteries

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    J'ai pensé vous parler un peu de la façon dont la nature crée des matériaux.
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    J'ai apporté avec moi une coquille d'ormeau.
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    Cette coquille d'ormeau est un matériau biocomposite
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    c'est 98 % en masse de carbonate de calcium
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    et 2% en masse de protéines.
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    Pourtant, elle est 3 000 fois plus résistante
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    que son homologue géologique.
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    Et beaucoup de gens peuvent utiliser des structures comme les coquilles d'ormeau,
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    comme de la craie.
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    Je suis fascinée par la façon dont la nature crée des matériaux,
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    et il y a beaucoup de séquence
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    dans la façon dont ils font un travail délicat.
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    C'est en partie parce que ces matériaux
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    ont des structures macroscopiques,
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    mais ils sont formés à l'échelle nanométrique.
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    Ils sont formés à l'échelle nanométrique,
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    et ils utilisent des protéines qui sont codées au niveau génétique
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    qui leur permettent de construire ces structures vraiment délicates.
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    Donc, je pense que c'est vraiment fascinant
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    de se demander si on pourrait donner vie
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    à des structures inertes,
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    comme les piles et comme les cellules photovoltaïques.
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    Et si elles avaient quelques-unes des capacités
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    d'une coquille d'ormeau,
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    en termes de capacité
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    à construire des structures vraiment délicates
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    à température et pression ambiantes,
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    en utilisant des produits chimiques non-toxiques
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    et en ne rejetant aucune matière toxique dans l'environnement?
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    Voilà donc la vision à laquelle j'ai réfléchi.
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    Et donc si on pouvait faire pousser une batterie dans une boîte de Petri?
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    Ou, si on pouvait donner des informations génétiques à une batterie
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    afin qu'elle puisse effectivement devenir meilleure
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    en fonction du temps,
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    et le faire d'une manière respectueuse de l'environnement?
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    Et donc, pour revenir à cette coquille d'ormeau,
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    en plus d'être nano-structurée,
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    une chose fascinante,
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    c'est quand un mâle et une femelle ormeau se réunissent,
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    ils transmettent les informations génétiques
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    qui disent: "Voilà comment construire un matériau délicat.
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    Voici comment le faire à température et pression ambiantes,
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    en utilisant des matériaux non-toxiques. "
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    Même avec des diatomées, qu'on voit ici, qui sont des structures de verre.
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    Chaque fois que les diatomées se répliquent,
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    elles donnent des informations génétiques qui disent:
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    "Voici comment construire du verre dans l'océan
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    qui soit parfaitement nano-structuré.
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    Et vous pouvez le refaire, encore et encore. "
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    Alors, si l'on pouvait faire la même chose
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    avec une cellule phovoltaïque ou une batterie?
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    Je tiens à dire mon biomatériau préféré est mon enfant de quatre ans.
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    Mais quiconque a déjà eu, ou connait, de jeunes enfants
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    sait qu'ils sont des organismes incroyablement complexes.
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    Et si vous voulez les convaincre
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    de faire quelque chose qu'ils ne veulent pas faire, c'est très difficile.
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    Donc, quand on pense aux technologies de l'avenir,
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    nous pensons en fait à utiliser des bactéries et des virus,
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    des organismes simples.
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    Peut-on les convaincre de travailler avec une nouvelle boîte à outils,
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    afin qu'ils puissent construire une structure
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    qui sera importante pour moi?
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    En outre, nous réfléchissons aux technologies de l'avenir.
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    Nous commençons par l'origine de la Terre.
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    En gros, il a fallu un milliard d'années
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    pour qu'il y ait de la vie sur Terre.
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    Et très rapidement, les êtres vivants sont devenus multi-cellulaires,
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    ils ont pu se répliquer, utiliser la photosynthèse
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    comme un moyen de récupérer leur source d'énergie.
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    Mais il y a seulement environ 500 millions d'années -
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    au cours de la période cambrienne -
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    que les organismes dans l'océan ont commencé à créer des matériaux durs.
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    Avant cela, c'étaient des structures toutes molles, moelleuses.
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    Et c'est pendant cette période
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    qu'il y a eu plus de calcium et de fer
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    et de silicium dans l'environnement.
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    Et les organismes ont appris à faire des matériaux durs.
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    Et c'est ce que je voudrais être en mesure de le faire -
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    convaincre la biologie
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    de travailler avec le reste du tableau périodique.
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    Maintenant, si vous regardez la biologie,
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    il y a de nombreuses structures comme l'ADN et les anticorps
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    et les protéines et les ribosomes dont vous avez entendu parler
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    qui sont déjà nano-structurés.
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    Donc la nature nous donne déjà
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    des structures vraiment délicates à l'échelle nanométrique.
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    Et si nous pouvions les mettre à profit
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    et les convaincre de ne pas être un anticorps
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    qui fasse quelque chose comme le VIH?
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    Mais si on pouvait les convaincre
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    de construire une cellule photovoltaïque pour nous?
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    Alors voici quelques exemples: ce sont quelques coquilles naturelles.
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    Il existe des matériaux naturels biologiques.
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    La coquille d'ormeau ici - et si vous la fracturez,
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    vous pouvez voir le fait que c'est nano-structuré.
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    Il y a des diatomées fabriquées à partir de SiO2,
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    et ce sont des bactéries magnétotactiques
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    qui font de petits aimants à domaine unique utilisés pour la navigation.
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    Ce qu'ils ont tous en commun
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    c'est que ces matériaux sont structurés à l'échelle nanométrique,
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    et qu'ils ont une séquence d'ADN
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    qui code une séquence protéique,
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    qui leur donne le plan
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    pour qu'ils puissent construire ces structures vraiment merveilleuses.
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    Maintenant, pour revenir à la coquille d'ormeau,
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    l'ormeau fait cette coquille grâce à ces protéines.
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    Ces protéines sont très chargées négativement.
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    Et elles peuvent tirer du calcium de l'environnement,
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    appliquer une couche de calcium, puis du carbonate, du calcium et du carbonate.
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    Il a les séquences chimiques des acides aminés
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    qui disent: "C'est comme ça qu'on construit la structure.
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    Voici la séquence d'ADN, voici la séquence de la protéine
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    pour le faire. "
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    Et donc une idée intéressante est, si vous pouviez prendre n'importe quel matériau,
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    ou tout autre élément du tableau périodique,
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    et trouver sa séquence d'ADN correspondante,
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    et puis le coder en une séquence de protéine correspondante
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    pour construire une structure, mais pas une coquille d'ormeau -
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    construire quelque chose avec quoi, parmi toute la nature,
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    il n'a jamais encore eu l'occasion de travailler .
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    Et voici donc le tableau périodique.
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    Et j'adore vraiment le tableau périodique.
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    Chaque année pour la classe de première année entrant au MIT,
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    je fais un tableau périodique qui dit:
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    "Bienvenue au MIT. Maintenant vous êtes dans votre élément."
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    Et vous le retournez, et c'est les acides aminés
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    avec le PH auquel ils ont des charges différentes.
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    Et donc je le donne à des milliers de personnes.
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    Et je sais qu'il y a écrit MIT, et ici c'est Caltech,
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    mais j'en ai quelques-uns en plus si quelqu'un en veut.
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    Et j'ai vraiment eu de la chance
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    que le président Obama visite mon laboratoire cette année
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    lors de sa visite au MIT,
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    et je voulais vraiment lui donner un tableau périodique.
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    J'ai donc veillé tard, et j'ai parlé à mon mari,
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    "Comment puis-je donner au président Obama un tableau périodique?
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    Que faire s'il dit, 'Oh, j'en ai déjà un, '
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    ou, 'je l'ai déjà mémorisé ?"
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    Et il est venu visiter mon laboratoire
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    et il a regardé autour de lui - ce fut une excellente visite.
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    Et puis après, j'ai dit,
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    "Monsieur, je veux vous donner le tableau périodique
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    pour le jour où vous seriez dans une impasse et devriez calculer un poids moléculaire. "
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    Et j'ai pensé que poids moléculaire sonnait beaucoup moins ringard
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    que masse molaire.
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    Et il l'a regardé,
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    Et il a dit:
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    "Je vous remercie. Je vais le regarder périodiquement."
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    (Rires)
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    (Applaudissements)
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    Et plus tard dans une conférence qu'il a donnée sur l'énergie propre,
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    il l'a sorti et a dit:
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    "Et les gens au MIT, ils donnent des tableaux périodiques".
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    Donc, en gros, ce que je ne vous ai pas dit
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    c'est qu'il y a près de 500 millions d'années, les organismes ont commencé à fabriquer des matériaux,
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    mais il leur a fallu environ 50 millions d'années pour devenir bons.
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    Il leur a fallu environ 50 millions d'années
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    pour apprendre à parfaire la manière de faire cette coquille d'ormeau.
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    Et c'est difficile à vendre à un étudiant diplômé.
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    "J'ai ce grand projet -. 50 millions d'années"
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    Et nous avons donc dû développer une façon
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    d'essayer de le faire plus rapidement.
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    Et donc nous utilisons un virus qui est un virus non-toxique
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    appelé bactériophage M13
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    dont c'est le travail d'infecter les bactéries.
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    Eh bien, il a une structure ADN simple
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    que vous pouvez couper et y coller
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    des séquences d'ADN supplémentaires.
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    Et ce faisant, il permet au virus
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    d'exprimer des séquences de protéines aléatoires.
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    Et cela est de la biotechnologie assez facile .
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    Et vous pourriez le faire en gros un milliard de fois.
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    Et donc vous pouvez obtenir un milliard de virus différents
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    qui sont tous génétiquement identiques,
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    mais ils diffèrent les uns des autres en fonction de leurs terminaisons,
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    sur une séquence
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    qui code une protéine.
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    Maintenant si vous prenez tous les milliards de virus,
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    et vous pouvez les mettre dans une goutte de liquide,
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    vous pouvez les forcer à interagir avec tout ce que vous voulez sur le tableau périodique.
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    Et à travers un processus d'évolution de sélection,
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    vous pouvez en tirer un sur un milliard qui fait quelque chose que vous aimeriez qu'il fasse,
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    comme de cultiver une batterie ou développer une cellule photovoltaïque.
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    Donc, en gros, les virus ne peuvent pas se reproduire, ils ont besoin d'un hôte.
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    Une fois que vous trouvez celui sur un milliard,
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    vous en infectez une bactérie,
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    et vous faites des millions et des milliards de copies
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    de cette séquence particulière.
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    Et ce qu'il y a aussi de beau dans la biologie
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    c'est que la biologie vous donne des structures vraiment délicates
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    avec de belles échelles de connexion.
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    Et ces virus sont longs et maigres,
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    et nous pouvons les amener à exprimer la capacité
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    à développer quelque chose comme les semi-conducteurs
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    ou des matériaux pour les batteries.
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    Maintenant, voici d'une batterie haute puissance que nous avons développée dans mon laboratoire.
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    Nous avons conçu un virus pour ramasser des nanotubes de carbone.
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    Donc, une partie du virus attrape un nanotube de carbone.
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    L'autre partie du virus a une séquence
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    qui peut développer un matériau d'électrode pour une batterie.
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    Et puis il se connecte lui-même au courant collecteur.
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    Et donc à travers un processus d'évolution de sélection,
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    nous sommes passés d'un virus qui créait une batterie minable
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    à un virus qui fait une bonne batterie
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    à un virus qui a fait une batterie de forte puissance qui bat des records
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    le tout, fait à température ambiante, essentiellement sur la paillasse.
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    Et cette batterie est allée à la Maison Blanche pour une conférence de presse.
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    Je l'ai amenée ici.
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    Vous pouvez le voir dans cette boite - elle éclaire ce LED.
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    Maintenant, si nous pouvions en augmenter l'échelle,
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    vous pourriez effectivement l'utiliser
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    pour faire fonctionner votre Prius,
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    ce qui est mon rêve - pouvoir conduire une voiture à propulsion virus.
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    Mais il s'agit essentiellement -
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    vous pouvez tirer un sur un milliard.
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    Vous pouvez l'amplifier beaucoup
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    En gros, vous faites une amplification dans le laboratoire.
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    Et puis, vous le faites s'auto-assembler
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    en une structure semblable à une batterie.
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    Nous sommes en mesure de le faire aussi par catalyse.
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    C'est l'exemple
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    du fractionnement photocatalytique de l'eau.
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    Et ce que nous avons pu faire
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    c'est concevoir un virus pour qu'il prenne des molécules qui absorbent les colorants
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    et les aligne sur la surface du virus
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    pour qu'il agisse comme une antenne,
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    et vous obtenez un transfert d'énergie à travers le virus.
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    Et puis on lui donne un second gène
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    pour développer un matériau inorganique
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    qui puisse être utilisé pour décomposer l'eau
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    en oxygène et en hydrogène,
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    qui puisse être utilisé pour des carburants propres.
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    Et j'en ai apporté avec moi un exemple aujourd'hui.
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    Mes étudiants m'ont promis que ça marcherait.
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    Ce sont des nanofils assemblés par des virus.
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    Lorsque vous les mettez sous la lumière, vous les voyez faire des bulles.
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    Dans le cas présent, vous voyez des bulles d'oxygène sortir..
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    Et dans le fond en contrôlant les gènes,
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    vous pouvez contrôler des matériaux multiples pour améliorer les performances de votre appareil.
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    Le dernier exemple sont des cellules photovoltaïques.
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    Vous pouvez aussi le faire avec des cellules photovoltaïques.
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    Nous avons été en mesure de concevoir des virus
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    pour ramasser des nanotubes de carbone
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    et ensuite générer du dioxyde de titane autour -
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    et les utiliser pour obtenir des électrons à travers le dispositif.
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    Et ce que nous avons constaté c'est que, grâce au génie génétique,
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    on peut vraiment augmenter
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    l'efficacité de ces cellules photovoltaïques
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    pour enregistrer les chiffres
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    pour ces types de systèmes sensibles aux colorants.
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    Et j'en ai apporté un aussi
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    pour que vous puissiez jouer avec à l'extérieur par la suite.
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    Il s'agit donc d'une cellule photovoltaïque à base de virus.
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    Grâce à l'évolution et la sélection,
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    nous l'avons fait passer d'une cellule solaire à 8 % d'efficacité
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    à une cellule à 11 % d'efficacité.
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    J'espère donc que je vous ai convaincus
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    qu'il y a beaucoup de grandes choses intéressantes à apprendre
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    sur comment la nature crée les matériaux -
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    et en l'amenant à l'étape suivante
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    pour voir si on peut forcer,
  • 9:57 - 9:59
    ou si on peut profiter de la manière dont la nature crée les matériaux,
  • 9:59 - 10:02
    pour créer des choses que la nature n'a pas encore rêvé de créer.
  • 10:02 - 10:04
    Merci.
Title:
Angela Belcher : Utiliser la nature pour faire pousser des batteries
Speaker:
Angela Belcher
Description:

Inspirée par une coquille d'ormeau, Angela Belcher programme des virus pour créer d'élégantes structures nanométriques que les humains peuvent utiliser. En sélectionnant des gènes à haut rendement grâce à l'évolution dirigée, elle a produit des virus qui peuvent construire de nouvelles batteries puissantes, des carburants propres à base d'hydrogène et des batteries solaires qui battent les records. A TEDxCaltech, elle nous montre comment c'est fait.

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Video Language:
English
Team:
closed TED
Project:
TEDTalks
Duration:
10:05
Elisabeth Buffard added a translation

French subtitles

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