Angela Belcher: Wykorzystywanie natury do hodowli baterii
-
0:00 - 0:03Opowiem pokrótce jak natura tworzy materiały.
-
0:03 - 0:05Mam ze sobą muszlę ślimaka słuchotka.
-
0:05 - 0:08To materiał biokompozytowy sładający się
-
0:08 - 0:11w 98% z węglanu wapnia
-
0:11 - 0:13oraz w 2% z białka.
-
0:13 - 0:15A jednak jest 3000 razy wytrzymalszy
-
0:15 - 0:17niż jego geologiczny odpowiednik.
-
0:17 - 0:20Wiele ludzi może używać muszli
-
0:20 - 0:22jako kredy.
-
0:22 - 0:24Fascynuje mnie jak natura tworzy materiały
-
0:24 - 0:26jest dużo etapow składających się na
-
0:26 - 0:28tak wyrafinowaną pracę.
-
0:28 - 0:30Te materiały
-
0:30 - 0:32są makroskopowe w strukturze
-
0:32 - 0:34ale uformowane w nanoskali.
-
0:34 - 0:36Stworzone w nanoskali,
-
0:36 - 0:39wykorzystują białka zakodowane w genach
-
0:39 - 0:42pozwalające budować te skomplikowane struktury.
-
0:42 - 0:44Coś co moim zdaniem jest fascynujące -
-
0:44 - 0:47co jeśli można by dać życie
-
0:47 - 0:49takim nieżyjącym strukturom
-
0:49 - 0:51jak baterie i ogniwa słoneczne?
-
0:51 - 0:53Co jeśli miałyby te same zdolności
-
0:53 - 0:55co muszle
-
0:55 - 0:57w kontekście bycia zdolnym
-
0:57 - 0:59do budowy naprawdę wyrafinowanych struktur
-
0:59 - 1:01w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu
-
1:01 - 1:03używając nietoksycznych materiałów
-
1:03 - 1:06i nie wydzielając toksycznych materiałów do środowiska?
-
1:06 - 1:09To jest wizja o której myślałam.
-
1:09 - 1:11Co jeśli można wyhodować baterię w szalce petriego?
-
1:11 - 1:14Lub co jeśli można podać informację baterii
-
1:14 - 1:16tak aby stała się lepsza
-
1:16 - 1:18jako funkcję czasu
-
1:18 - 1:20i zrobić to w przyjazny środowisku sposób?
-
1:20 - 1:23Wracając do muszli
-
1:23 - 1:25oprócz tego że jest nanostrukturą
-
1:25 - 1:27fascynujące jest
-
1:27 - 1:29gdy męska i żeńska muszle łączą się
-
1:29 - 1:31przekazują informację genetyczną
-
1:31 - 1:34która mówi "Oto jak wytworzyć wyrafinowany materiał.
-
1:34 - 1:36Jak zrobić to w warunkach normalnych
-
1:36 - 1:38używając nietoksycznych materiałów."
-
1:38 - 1:41Tak samo z glonami jednokomórkowymi mającymi szklaną strukturę.
-
1:41 - 1:43Przy każdej replikacji glonów
-
1:43 - 1:45przekazują geny mówiące
-
1:45 - 1:47"Oto jak wytworzyć szkło w oceanie
-
1:47 - 1:49które ma idealną nanostrukturę.
-
1:49 - 1:51Możesz to robić w kółko."
-
1:51 - 1:53Co jeśli można zrobić to samo
-
1:53 - 1:55z ogniwem słonecznym lub baterią?
-
1:55 - 1:58Mój ulubiony biomateriał to mój czterolatek.
-
1:58 - 2:01Każdy kto ktokolwiek miał lub zna małe dziecko
-
2:01 - 2:04wie, że to niesamowicie złożone organizmy.
-
2:04 - 2:06Jeśli spróbujecie je przekonać
-
2:06 - 2:08do czegoś czego nie chcą, jest to trudne.
-
2:08 - 2:11Gdy myślimy o technologiach przyszłości,
-
2:11 - 2:13myślimy o użyciu bakterii lub wirusa,
-
2:13 - 2:15prostych organizmów.
-
2:15 - 2:17Czy można je przekonać do pracy z nowymi narzędziami,
-
2:17 - 2:19tak aby mogły zbudować strukturę
-
2:19 - 2:21o którą mi chodzi?
-
2:21 - 2:23Chodzi tu o nowe technologie.
-
2:23 - 2:25Zacznijmy od początków Ziemii.
-
2:25 - 2:27W zasadzie aż miliard lat minęło
-
2:27 - 2:29zanim powstało na niej życie.
-
2:29 - 2:31Bardzo szybko pojawiły się wielokomórcowce,
-
2:31 - 2:34mogły replikować, prowadzić fotosyntezę
-
2:34 - 2:36aby pozyskiwać energię.
-
2:36 - 2:38Ale dopiero około 500 milionów lat temu
-
2:38 - 2:40podczas epoki kambru,
-
2:40 - 2:43organizmy morskie zaczęły tworzyć twarde materiały.
-
2:43 - 2:46Przedtem były to gładkie, pierzaste struktury.
-
2:46 - 2:48W tym okresie
-
2:48 - 2:50były zwiększone ilości wapna, żelaza
-
2:50 - 2:52oraz krzemu w środowisku.
-
2:52 - 2:55Organizmy nauczyły się tworzenia twardych materiałów.
-
2:55 - 2:57W ten sposób
-
2:57 - 2:59można przekonać biologię
-
2:59 - 3:01do pracy z resztą układu okresowego.
-
3:01 - 3:03Jeśli chodzi o biologię
-
3:03 - 3:05jest wiele struktur jak DNA czy przeciwciał
-
3:05 - 3:07białek i rybosomów o których słyszeliście
-
3:07 - 3:09które są właśnie nanostrukturami.
-
3:09 - 3:11Więc natura już osiągnęła
-
3:11 - 3:13naprawdę imponujące struktury w nanoskali.
-
3:13 - 3:15Co jeśli moglibyśmy zaprząc je
-
3:15 - 3:17i przekonać że nie są antygenem
-
3:17 - 3:19podobnie jak robi to HIV?
-
3:19 - 3:21Co jeśli moglibyśmy je przekonać
-
3:21 - 3:23do budowy ogniwa słonecznego?
-
3:23 - 3:25Oto parę przykładów: to kilka naturalych muszli
-
3:25 - 3:27To naturalne biologicznie materiały.
-
3:27 - 3:29To muszla ślimaka słuchotka - jeśli ją podzielić
-
3:29 - 3:31można zauważyć, że jest nanostrukturą.
-
3:31 - 3:34Te okrzemki zbudowane są z tlenku krzemu
-
3:34 - 3:36i są bakteriami magnetotaksyjnymi
-
3:36 - 3:39które są wykorzystywane w małych magnesach o pojedynczej domenie używanych w nawigacji
-
3:39 - 3:41Ich cechą wspólną jest to,
-
3:41 - 3:43że wszystkie te materiały mają strukturę w nanoskali
-
3:43 - 3:45i posiadają sekwencję DNA
-
3:45 - 3:47która koduje łańcuch białek
-
3:47 - 3:49i tworzy ich kopię
-
3:49 - 3:51aby możliwe było tworzenie tych niesamowitych struktur.
-
3:51 - 3:53Wracając do muszli ślimaka słuchotka
-
3:53 - 3:56- ślimak tworzy muszlę z białek.
-
3:56 - 3:58Białka te są naładowane ujemnie.
-
3:58 - 4:00I są w stanie pobierać wapń z otoczenia
-
4:00 - 4:03tworząc najpierw warstwę wapnia, potem węglanów, znowu wapnia, i znowu węglanów.
-
4:03 - 4:06Jest to sekwencja chemiczna taka jak w aminokwasach
-
4:06 - 4:08i oznacza, "Tak właśnie należy budować tę strukturę.
-
4:08 - 4:10Oto sekwencja DNA, tutaj jest łańcuch białek
-
4:10 - 4:12potrzebna do jej stworzenia."
-
4:12 - 4:15Ciekawe co by się stało gdyby można było wziąć jakikolwiek materiał
-
4:15 - 4:17lub dowolny pierwiastek z układu okresowego
-
4:17 - 4:20i znaleźć odpowiadający mu ciąg DNA
-
4:20 - 4:22a następnie zakodować go według odpowiadającego mu ciągu białek
-
4:22 - 4:25tak, aby powstała struktura, jednak nie taka jak muszla słuchotka
-
4:25 - 4:27zbudować coś co w naturze
-
4:27 - 4:30nigdy przedtem nie wystąpiło.
-
4:30 - 4:32Tak więc mamy tu układ okresowy.
-
4:32 - 4:34Uwielbiam układ okresowy.
-
4:34 - 4:37Co roku pokazuję nowym studentom Instytutu Technologii w Massachusetts
-
4:37 - 4:39układ okresowy z napisem
-
4:39 - 4:42"Witajcie w Instytucie Technologii w Massachusetts. Teraz jesteście w swoim żywiole."
-
4:42 - 4:45Na odwrocie tablicy jest plansza dotycząca aminokwasów
-
4:45 - 4:47i różnych poziomów PH, w których ich ładunek się zmienia.
-
4:47 - 4:50I tak pokazuję to tysiącom osób.
-
4:50 - 4:52Wiem, że napisane jest tam, że to Instytut Technologii w Massachusetts a my jesteśmy w Instytucie Technologii w Kalifornii
-
4:52 - 4:54ale mam zawsze kilka dodatkowych jeśli ktoś chce go mieć.
-
4:54 - 4:56Jestem szczęściarzem
-
4:56 - 4:58bo Prezydent Obama odwiedził w tym roku moje laboratorium
-
4:58 - 5:00w trakcie swojej wizyty w Instytucie Technologii w Massachusetts
-
5:00 - 5:02i bardzo chciałam podarować mu układ okresowy.
-
5:02 - 5:04Nie spałam przez całą noc i rozmawiałam z mężem
-
5:04 - 5:07"W jaki sposób mam dać prezydentowi układ okresowy?
-
5:07 - 5:09Co jeśli powie, "Hm, właściwie mam już jeden,"
-
5:09 - 5:11albo "Znam go już na pamięć"?"
-
5:11 - 5:13W końcu przyszedł do mojego laboratorium
-
5:13 - 5:15i rozejrzał się - to było wspaniałe spotkanie.
-
5:15 - 5:17A potem powiedziałam
-
5:17 - 5:19"Panie prezydencie, chciałabym panu dać układ okresowy
-
5:19 - 5:23na wypadek gdyby nagle potrzebował pan obliczyć masę cząsteczkową."
-
5:23 - 5:25Pomyślałam że 'masa cząsteczkowa' brzmi znacznie mniej naukowo
-
5:25 - 5:27niż masa molowa.
-
5:27 - 5:29A on spojrzał na planszę
-
5:29 - 5:31i powiedział
-
5:31 - 5:33"Dziękuję. Będę patrzył na niego okresowo."
-
5:33 - 5:35(Śmiech)
-
5:35 - 5:39(Brawa)
-
5:39 - 5:42A później podczas swojego wykładu na temat czystej energii
-
5:42 - 5:44wyciągnął go i powiedział
-
5:44 - 5:46"A ludzie z Instytutu Technologii Massachusetts rozdają układy okresowe."
-
5:46 - 5:49Więc właściwie nie powiedziałam wam
-
5:49 - 5:52że 500 milionów lat temu organizmy zaczęły produkować materiały
-
5:52 - 5:54ale zajęło im to około 50 milionów lat by dojść do wprawy.
-
5:54 - 5:56%0 milionów lat zajęło im
-
5:56 - 5:58jak stworzyć doskonałą muszlę ślimaka słuchotka.
-
5:58 - 6:00Ciężko to sprzedać studentowi ostatniego roku.
-
6:00 - 6:03"Mam świetny projekt - trwa 50 milionów lat."
-
6:03 - 6:05Dlatego musieliśmy wykształcić sposób
-
6:05 - 6:07by zrobić to szybciej.
-
6:07 - 6:09Dlatego używamy wirusa ktory nie jest toksyczny
-
6:09 - 6:11i nazywa się bakteriofag M13
-
6:11 - 6:13jego zadaniem jest zainfekować bakterie.
-
6:13 - 6:15Ma on bardzo prostą strukturę DNA
-
6:15 - 6:17do której można wniknąć, skopiować fragment i wkleić
-
6:17 - 6:19w to miejsce dodatkowe DNA.
-
6:19 - 6:21A to pozwala wirusowi
-
6:21 - 6:24odzwierciedlać przypadkowe łańcuchy białkowe.
-
6:24 - 6:26Taka biotechnologia jest całkiem prosta.
-
6:26 - 6:28Można to powtarzać właściwie miliardy razy.
-
6:28 - 6:30I można w ten sposób uzyskać miliardy różnych wirusów
-
6:30 - 6:32które genetycznie są identyczne
-
6:32 - 6:34ale różnią się między sobą
-
6:34 - 6:36tylko jedną sekwencją
-
6:36 - 6:38która koduje jedno białko.
-
6:38 - 6:40A teraz jeśli weźmiecie miliard wirusów
-
6:40 - 6:42i umieścicie je w jednej kropli płynu
-
6:42 - 6:45możecie sprawić że wejdą w reakcję z każdym pierwiastkiem z układu okresowego.
-
6:45 - 6:47Poprzez proces naturalnej selekcji
-
6:47 - 6:50możesz wybrać jeden który robi dokładnie to co chcesz
-
6:50 - 6:52np. tworzy baterię lub baterię słoneczną
-
6:52 - 6:55Wirusy nie mogą się same rozmnażać, potrzebują żywiciela.
-
6:55 - 6:57Jak tylko znajdziesz tego jednego wśród miliarda innych
-
6:57 - 6:59możesz nim zakazić bakterię
-
6:59 - 7:01i w ten sposób stworzyć miliardy lub biliony kopii
-
7:01 - 7:03tej konkretnej sekwencji
-
7:03 - 7:05A więc kolejna piękna rzecz w biologii
-
7:05 - 7:07to to, że daje nam wspaniałe struktury
-
7:07 - 7:09które są ze sobą ściśle połączone.
-
7:09 - 7:11Wirusy są długie i smukłe
-
7:11 - 7:13i możemy sprawić że zaczną wykazywać zdolność
-
7:13 - 7:15do wytwarzania czegoś na kształt półprzewodników
-
7:15 - 7:17lub materiałów do produkcji baterii.
-
7:17 - 7:20Oto bateria o wysokiej mocy którą wyhodowaliśmy w moim laboratorium.
-
7:20 - 7:23Sprawiliśmy że wirusy zaczęły wychwytywać nanorurki węglowe.
-
7:23 - 7:25tak więc jedna część wirusa chwyta nanorurkę węglową.
-
7:25 - 7:27Druga część natomiast ma sekwencję
-
7:27 - 7:30z której można wyhodować materiał elektrodowy na baterię.
-
7:30 - 7:33A później podłącza się to do istniejącego kolektora.
-
7:33 - 7:35Tak więc poprzez proces naturalnej selekcji
-
7:35 - 7:38przeszliśmy od wirusa który wytworzył baterię kiepskiej jakości
-
7:38 - 7:40poprzez wirusa który stał się dobrą baterią
-
7:40 - 7:43aż do wirusa który dał początek baterii o rekordowo wysokiej mocy
-
7:43 - 7:46a to wszystko w temperaturze pokojowej bez użycia specjalistycznej aparatury.
-
7:46 - 7:49Bateria pojechała na konferencję prasową w Białym Domu.
-
7:49 - 7:51Przyniosłam ją również tu.
-
7:51 - 7:54Możecie ją zobaczyć w tej skrzyni - dostarcza energię do lampy LED.
-
7:54 - 7:56Gdyby była możliwość powiększenia tego
-
7:56 - 7:58można by tego używać do
-
7:58 - 8:00napędzania samochodu
-
8:00 - 8:03co jest moim marzeniem - jeździć samochodem napędzanym wirusem.
-
8:04 - 8:06Ale w rzeczywistości
-
8:06 - 8:09jest to szansa jedna na miliard.
-
8:09 - 8:11Można powielać je w nieskończoność.
-
8:11 - 8:13Powielanie następuje w laboratorium.
-
8:13 - 8:15Następnie zaczynają one gromadzić się samodzielnie
-
8:15 - 8:17tworząc struktury podobne do baterii.
-
8:17 - 8:19Jesteśmy w stanie to zrobić również w przypadku katalizy.
-
8:19 - 8:21Oto przykład
-
8:21 - 8:23fotokatalitycznego rozszczepienia wody.
-
8:23 - 8:25I do czego byliśmy zdolni
-
8:25 - 8:28to sprawienie, że wirus zaczął pobierać molekuły absorbujące barwnik
-
8:28 - 8:30i ustawić je na powierzchni wirusa
-
8:30 - 8:32tak by działały jak antena
-
8:32 - 8:34i przekazywały energię przez cały wirus.
-
8:34 - 8:36A później przekazuje ją do kolejnego genu
-
8:36 - 8:38aby wytworzyć materiał nieorganiczny
-
8:38 - 8:40który może być wykorzystany do rozszczepienia wody
-
8:40 - 8:42na tlen i wodór
-
8:42 - 8:44który z kolei ma zastosowanie w paliwach ekologicznych.
-
8:44 - 8:46Przyniosłam przykład tego żeby wam dziś pokazać.
-
8:46 - 8:48Moi studenci obiecali że zadziała.
-
8:48 - 8:50Są to nanoprzewody zgromadzone za pomocą wirusów
-
8:50 - 8:53Kiedy się skieruje na nie strumień światła widać jak puszczają bąbelki.
-
8:53 - 8:56W tym przypadku widzicie bąbelki z tlenu które się wydostają.
-
8:57 - 9:00Poprzez kontrolowanie genów
-
9:00 - 9:03można kontrolować wiele materiałów wspomagających pracę urządzenia.
-
9:03 - 9:05Ostatnim przykładem są ogniwa solarne.
-
9:05 - 9:07Można to zrobić także z ogniwami solarnymi.
-
9:07 - 9:09Sprawiliśmy że wirusy
-
9:09 - 9:11zaczęły wychwytywać nanorurki węglowe
-
9:11 - 9:15a następnie otaczać je dwutlenkiem tytanu -
-
9:15 - 9:19w ten sposób sprawiając że elektrony przechodziły przez urządzenie.
-
9:19 - 9:21Odkryliśmy że poprzez inżynierię genetyczną
-
9:21 - 9:23możemy zwiększyć
-
9:23 - 9:26wydajność ogniw solarnych
-
9:26 - 9:28do rekordowych poziomów
-
9:28 - 9:31jak dla takich systemów syntezujących barwniki.
-
9:31 - 9:33Przyniosłam też jedno
-
9:33 - 9:36żebyście mogli pobawić się tym na zewnątrz później.
-
9:36 - 9:38Tak więc jest to ogniwo solarne oparte na wirusach.
-
9:38 - 9:40Poprzez ewolucję i selekcję
-
9:40 - 9:43sprawiliśmy że efektywność tego ogniwa wzrosła z 8%
-
9:43 - 9:46do 11%.
-
9:46 - 9:48Tak więc mam nadzieję że was przekonałam
-
9:48 - 9:51do tego, że istnieje wiele wspaniałych, ciekawych rzeczy do nauczenia się
-
9:51 - 9:53na temat tego jak natura tworzy materiały
-
9:53 - 9:55i jak popycha je o krok dalej
-
9:55 - 9:57by sprawdzić czy możecie tworzyć
-
9:57 - 9:59lub chociaż korzystać z naturalnych sposobów tworzenia materiałów
-
9:59 - 10:02by tworzyć rzeczy o których natura nawet nie śniła.
-
10:02 - 10:04Dziękuję.
- Title:
- Angela Belcher: Wykorzystywanie natury do hodowli baterii
- Speaker:
- Angela Belcher
- Description:
-
Zainspirowana muszlami ślimaków Angela Belcher programuje wirusy do tworzenia nanostruktur użytecznych dla ludzi. Dobierając najlepsze geny wyprodukowała wirusy mogące tworzyć nowe, mocne baterie, czyste paliwa wodorowe oraz niesamowicie wydajne ogniwa słoneczne. Na TEDxCaltech pokazuje nam jak to się robi.
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 10:05