Angela Belcher: Wykorzystywanie natury do hodowli baterii

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.

Opowiem pokrótce jak natura tworzy materiały.

Mam ze sobą muszlę ślimaka słuchotka.

To materiał biokompozytowy sładający się

w 98% z węglanu wapnia

oraz w 2% z białka.

A jednak jest 3000 razy wytrzymalszy

niż jego geologiczny odpowiednik.

Wiele ludzi może używać muszli

jako kredy.

Fascynuje mnie jak natura tworzy materiały

jest dużo etapow składających się na

tak wyrafinowaną pracę.

Te materiały

są makroskopowe w strukturze

ale uformowane w nanoskali.

Stworzone w nanoskali,

wykorzystują białka zakodowane w genach

pozwalające budować te skomplikowane struktury.

Coś co moim zdaniem jest fascynujące -

co jeśli można by dać życie

takim nieżyjącym strukturom

jak baterie i ogniwa słoneczne?

Co jeśli miałyby te same zdolności

co muszle

w kontekście bycia zdolnym

do budowy naprawdę wyrafinowanych struktur

w temperaturze pokojowej i normalnym ciśnieniu

używając nietoksycznych materiałów

i nie wydzielając toksycznych materiałów do środowiska?

To jest wizja o której myślałam.

Co jeśli można wyhodować baterię w szalce petriego?

Lub co jeśli można podać informację baterii

tak aby stała się lepsza

jako funkcję czasu

i zrobić to w przyjazny środowisku sposób?

Wracając do muszli

oprócz tego że jest nanostrukturą

fascynujące jest

gdy męska i żeńska muszle łączą się

przekazują informację genetyczną

która mówi "Oto jak wytworzyć wyrafinowany materiał.

Jak zrobić to w warunkach normalnych

używając nietoksycznych materiałów."

Tak samo z glonami jednokomórkowymi mającymi szklaną strukturę.

Przy każdej replikacji glonów

przekazują geny mówiące

"Oto jak wytworzyć szkło w oceanie

które ma idealną nanostrukturę.

Możesz to robić w kółko."

Co jeśli można zrobić to samo

z ogniwem słonecznym lub baterią?

Mój ulubiony biomateriał to mój czterolatek.

Każdy kto ktokolwiek miał lub zna małe dziecko

wie, że to niesamowicie złożone organizmy.

Jeśli spróbujecie je przekonać

do czegoś czego nie chcą, jest to trudne.

Gdy myślimy o technologiach przyszłości,

myślimy o użyciu bakterii lub wirusa,

prostych organizmów.

Czy można je przekonać do pracy z nowymi narzędziami,

tak aby mogły zbudować strukturę

o którą mi chodzi?

Chodzi tu o nowe technologie.

Zacznijmy od początków Ziemii.

W zasadzie aż miliard lat minęło

zanim powstało na niej życie.

Bardzo szybko pojawiły się wielokomórcowce,

mogły replikować, prowadzić fotosyntezę

aby pozyskiwać energię.

Ale dopiero około 500 milionów lat temu

podczas epoki kambru,

organizmy morskie zaczęły tworzyć twarde materiały.

Przedtem były to gładkie, pierzaste struktury.

W tym okresie

były zwiększone ilości wapna, żelaza

oraz krzemu w środowisku.

Organizmy nauczyły się tworzenia twardych materiałów.

W ten sposób

można przekonać biologię

do pracy z resztą układu okresowego.

Jeśli chodzi o biologię

jest wiele struktur jak DNA czy przeciwciał

białek i rybosomów o których słyszeliście

które są właśnie nanostrukturami.

Więc natura już osiągnęła

naprawdę imponujące struktury w nanoskali.

Co jeśli moglibyśmy zaprząc je

i przekonać że nie są antygenem

podobnie jak robi to HIV?

Co jeśli moglibyśmy je przekonać

do budowy ogniwa słonecznego?

Oto parę przykładów: to kilka naturalych muszli

To naturalne biologicznie materiały.

To muszla ślimaka słuchotka - jeśli ją podzielić

można zauważyć, że jest nanostrukturą.

Te okrzemki zbudowane są z tlenku krzemu

i są bakteriami magnetotaksyjnymi

które są wykorzystywane w małych magnesach o pojedynczej domenie używanych w nawigacji

Ich cechą wspólną jest to,

że wszystkie te materiały mają strukturę w nanoskali

i posiadają sekwencję DNA

która koduje łańcuch białek

i tworzy ich kopię

aby możliwe było tworzenie tych niesamowitych struktur.

Wracając do muszli ślimaka słuchotka

- ślimak tworzy muszlę z białek.

Białka te są naładowane ujemnie.

I są w stanie pobierać wapń z otoczenia

tworząc najpierw warstwę wapnia, potem węglanów, znowu wapnia, i znowu węglanów.

Jest to sekwencja chemiczna taka jak w aminokwasach

i oznacza, "Tak właśnie należy budować tę strukturę.

Oto sekwencja DNA, tutaj jest łańcuch białek

potrzebna do jej stworzenia."

Ciekawe co by się stało gdyby można było wziąć jakikolwiek materiał

lub dowolny pierwiastek z układu okresowego

i znaleźć odpowiadający mu ciąg DNA

a następnie zakodować go według odpowiadającego mu ciągu białek

tak, aby powstała struktura, jednak nie taka jak muszla słuchotka

zbudować coś co w naturze

nigdy przedtem nie wystąpiło.

Tak więc mamy tu układ okresowy.

Uwielbiam układ okresowy.

Co roku pokazuję nowym studentom Instytutu Technologii w Massachusetts

układ okresowy z napisem

"Witajcie w Instytucie Technologii w Massachusetts. Teraz jesteście w swoim żywiole."

Na odwrocie tablicy jest plansza dotycząca aminokwasów

i różnych poziomów PH, w których ich ładunek się zmienia.

I tak pokazuję to tysiącom osób.

Wiem, że napisane jest tam, że to Instytut Technologii w Massachusetts a my jesteśmy w Instytucie Technologii w Kalifornii

ale mam zawsze kilka dodatkowych jeśli ktoś chce go mieć.

Jestem szczęściarzem

bo Prezydent Obama odwiedził w tym roku moje laboratorium

w trakcie swojej wizyty w Instytucie Technologii w Massachusetts

i bardzo chciałam podarować mu układ okresowy.

Nie spałam przez całą noc i rozmawiałam z mężem

"W jaki sposób mam dać prezydentowi układ okresowy?

Co jeśli powie, "Hm, właściwie mam już jeden,"

albo "Znam go już na pamięć"?"

W końcu przyszedł do mojego laboratorium

i rozejrzał się - to było wspaniałe spotkanie.

A potem powiedziałam

"Panie prezydencie, chciałabym panu dać układ okresowy

na wypadek gdyby nagle potrzebował pan obliczyć masę cząsteczkową."

Pomyślałam że 'masa cząsteczkowa' brzmi znacznie mniej naukowo

niż masa molowa.

A on spojrzał na planszę

i powiedział

"Dziękuję. Będę patrzył na niego okresowo."

(Śmiech)

(Brawa)

A później podczas swojego wykładu na temat czystej energii

wyciągnął go i powiedział

"A ludzie z Instytutu Technologii Massachusetts rozdają układy okresowe."

Więc właściwie nie powiedziałam wam

że 500 milionów lat temu organizmy zaczęły produkować materiały

ale zajęło im to około 50 milionów lat by dojść do wprawy.

%0 milionów lat zajęło im

jak stworzyć doskonałą muszlę ślimaka słuchotka.

Ciężko to sprzedać studentowi ostatniego roku.

"Mam świetny projekt - trwa 50 milionów lat."

Dlatego musieliśmy wykształcić sposób

by zrobić to szybciej.

Dlatego używamy wirusa ktory nie jest toksyczny

i nazywa się bakteriofag M13

jego zadaniem jest zainfekować bakterie.

Ma on bardzo prostą strukturę DNA

do której można wniknąć, skopiować fragment i wkleić

w to miejsce dodatkowe DNA.

A to pozwala wirusowi

odzwierciedlać przypadkowe łańcuchy białkowe.

Taka biotechnologia jest całkiem prosta.

Można to powtarzać właściwie miliardy razy.

I można w ten sposób uzyskać miliardy różnych wirusów

które genetycznie są identyczne

ale różnią się między sobą

tylko jedną sekwencją

która koduje jedno białko.

A teraz jeśli weźmiecie miliard wirusów

i umieścicie je w jednej kropli płynu

możecie sprawić że wejdą w reakcję z każdym pierwiastkiem z układu okresowego.

Poprzez proces naturalnej selekcji

możesz wybrać jeden który robi dokładnie to co chcesz

np. tworzy baterię lub baterię słoneczną

Wirusy nie mogą się same rozmnażać, potrzebują żywiciela.

Jak tylko znajdziesz tego jednego wśród miliarda innych

możesz nim zakazić bakterię

i w ten sposób stworzyć miliardy lub biliony kopii

tej konkretnej sekwencji

A więc kolejna piękna rzecz w biologii

to to, że daje nam wspaniałe struktury

które są ze sobą ściśle połączone.

Wirusy są długie i smukłe

i możemy sprawić że zaczną wykazywać zdolność

do wytwarzania czegoś na kształt półprzewodników

lub materiałów do produkcji baterii.

Oto bateria o wysokiej mocy którą wyhodowaliśmy w moim laboratorium.

Sprawiliśmy że wirusy zaczęły wychwytywać nanorurki węglowe.

tak więc jedna część wirusa chwyta nanorurkę węglową.

Druga część natomiast ma sekwencję

z której można wyhodować materiał elektrodowy na baterię.

A później podłącza się to do istniejącego kolektora.

Tak więc poprzez proces naturalnej selekcji

przeszliśmy od wirusa który wytworzył baterię kiepskiej jakości

poprzez wirusa który stał się dobrą baterią

aż do wirusa który dał początek baterii o rekordowo wysokiej mocy

a to wszystko w temperaturze pokojowej bez użycia specjalistycznej aparatury.

Bateria pojechała na konferencję prasową w Białym Domu.

Przyniosłam ją również tu.

Możecie ją zobaczyć w tej skrzyni - dostarcza energię do lampy LED.

Gdyby była możliwość powiększenia tego

można by tego używać do

napędzania samochodu

co jest moim marzeniem - jeździć samochodem napędzanym wirusem.

Ale w rzeczywistości

jest to szansa jedna na miliard.

Można powielać je w nieskończoność.

Powielanie następuje w laboratorium.

Następnie zaczynają one gromadzić się samodzielnie

tworząc struktury podobne do baterii.

Jesteśmy w stanie to zrobić również w przypadku katalizy.

Oto przykład

fotokatalitycznego rozszczepienia wody.

I do czego byliśmy zdolni

to sprawienie, że wirus zaczął pobierać molekuły absorbujące barwnik

i ustawić je na powierzchni wirusa

tak by działały jak antena

i przekazywały energię przez cały wirus.

A później przekazuje ją do kolejnego genu

aby wytworzyć materiał nieorganiczny

który może być wykorzystany do rozszczepienia wody

na tlen i wodór

który z kolei ma zastosowanie w paliwach ekologicznych.

Przyniosłam przykład tego żeby wam dziś pokazać.

Moi studenci obiecali że zadziała.

Są to nanoprzewody zgromadzone za pomocą wirusów

Kiedy się skieruje na nie strumień światła widać jak puszczają bąbelki.

W tym przypadku widzicie bąbelki z tlenu które się wydostają.

Poprzez kontrolowanie genów

można kontrolować wiele materiałów wspomagających pracę urządzenia.

Ostatnim przykładem są ogniwa solarne.

Można to zrobić także z ogniwami solarnymi.

Sprawiliśmy że wirusy

zaczęły wychwytywać nanorurki węglowe

a następnie otaczać je dwutlenkiem tytanu -

w ten sposób sprawiając że elektrony przechodziły przez urządzenie.

Odkryliśmy że poprzez inżynierię genetyczną

możemy zwiększyć

wydajność ogniw solarnych

do rekordowych poziomów

jak dla takich systemów syntezujących barwniki.

Przyniosłam też jedno

żebyście mogli pobawić się tym na zewnątrz później.

Tak więc jest to ogniwo solarne oparte na wirusach.

Poprzez ewolucję i selekcję

sprawiliśmy że efektywność tego ogniwa wzrosła z 8%

do 11%.

Tak więc mam nadzieję że was przekonałam

do tego, że istnieje wiele wspaniałych, ciekawych rzeczy do nauczenia się

na temat tego jak natura tworzy materiały

i jak popycha je o krok dalej

by sprawdzić czy możecie tworzyć

lub chociaż korzystać z naturalnych sposobów tworzenia materiałów

by tworzyć rzeczy o których natura nawet nie śniła.

Dziękuję.