Baterias feitas a partir da Natureza

Inspirada pelas conchas de haliote (molusco que produz a madrepérola), Angela Belcher programa vírus que produzem estruturas complexas e úteis, visíveis a olho nu. Através de processos de selecção genética, Angela consegue obter vírus que podem construir novas e poderosas baterias, células de hidrogénio e células solares de desempenho muito superior às obtidas por vias tradicionais. No TEDxCaltech, ela mostra-nos como.

Pensei em falar-vos um pouco
de como a Natureza cria os materiais.

Trouxe comigo uma concha de haliote.

Esta concha é um material "biocompósito":

98% da massa é carbonato de cálcio

e os restantes 2% são proteínas.

Com esta constituição,
é 3000 vezes mais resistente

do que o carbonato de cálcio simples.

E muitas pessoas usam estruturas
como estas conchas,

como o giz.

Fascina-me saber como a Natureza
cria estes materiais,

e há muitos segredos para os criar
de forma tão complexa.

Um aspecto relevante é que estes materiais

apresentam uma estrutura macroscópica,

mas o processo de formação
ocorre a uma "nano-escala".

Estes materiais formam-se
a uma "nano-escala",

e usam proteínas,
codificadas a nível genético,

que lhes permite a criação
destas estruturas complexas.

Uma coisa que considero fascinante

é o que aconteceria se pudéssemos dar vida
a estruturas não-vivas,

como pilhas, baterias,
e células fotovoltaicas?

Como seria se elas tivessam
as mesmas capacidades

que a concha de haliote,

em termos de serem capazes
de construir estruturas complexas

à pressão e temperatura ambientes,

usando materiais não-tóxicos

e não poluindo o ambiente
com resíduos tóxicos?

Esta é a perspectiva
que tenho aprofundado.

E se fosse possível fazer crescer
uma bateria numa placa de Petri?

Ou se fosse possível passar
informação genética para uma bateria,

de forma a que ela pudesse melhorar
o desempenho ao longo do tempo

e fazer isso de forma amiga do ambiente?

Assim, voltando a esta concha de haliote,

além da sua estrutura "nanoscópica",

outro aspecto fascinante

é que quando um haliote macho
e uma haliote fêmea

passam a informação genética,

dizem: "É assim que se constrói
um material complexo.

"É assim que se faz,
à pressão e temperatura ambientes,

"utilizando materiais não tóxicos".

O mesmo se passa com as diatomáceas,
que são estruturas vítreas.

Sempre que uma diatomácea se reproduz,

a sua informação genética diz:

"Aqui está a forma de construir vidro
no oceano

"com uma nano-estrutura
perfeitamente definida.

"E este processo é transferível,
vezes sem conta."

E se fosse possível fazer a mesma coisa

com uma célula fotovoltaica
ou com uma bateria?

Gosto de dizer que o meu biomaterial
preferido é o meu filho de 4 anos.

Todos os que conhecem crianças pequenas

sabem que as crianças
são organismos muito complexos.

É muito difícil convencê-los

a fazer algo que não queiram

Assim, quando pensamos
em tecnologias do futuro,

e pensamos em utilizar
bactérias, e e vírus, organismos simples.

Conseguiremos convencê-los a trabalhar
com outras matérias-primas,

para construírem uma estrutura

que seja importante para nós?

Para projectar as tecnologias do futuro

baseamo-nos no nascimento
do nosso planeta, a Terra.

Foram necessários mil milhões de anos

para que a vida surgisse na Terra.

Rapidamente, tornou-se multi-celular,

pôde reproduzir-se,

utilizou a fotossíntese
como forma de obter energia

mas foi só há cerca de 500 milhões de anos

-- durante o Câmbrico --

que os organismos marinhos
começaram a produzir materiais rígidos.

Antes disso, os organismos marinhos
apresentavam estruturas moles e fofas.

Foi durante esse período,

com grandes quantidades de cálcio, ferro

e silício disponíveis no ambiente,

que os organismos vivos
aprenderam a produzir materiais rígidos.

E é isto que eu pretendo fazer

-- convencer os organismos vivos

a trabalhar com o resto
da Tabela Periódica.

Na perspectiva da Biologia,

há muitas estruturas
como o ADN e anticorpos,

proteínas e ribossomas
-- de que já devem ter ouvido falar --

com uma estrutura "nanoscópica";

A Natureza apresenta muitas alternativas

de estruturas nanoscópicas complexas.

E se fosse possível "domesticá-las"

convencê-las a não serem anticorpos

que provocam algo indesejado
como a SIDA/HIV?

E se as conseguíssemos convencer

a construir uma célula solar para nós?

Aqui estão alguns exemplos:
estas são conchas naturais

materiais biológicos

A concha do haliote
-- se nós a quebrarmos,

podemos constatar a sua nano-estrutura.

Estas diatomáceas
são essencialmente feitas de SiO2

e estas são bactérias
com propriedades magnéticas

que podem ser utilizadas para a navegação.

Todas estas conchas têm em comum

o facto de apresentarem uma nanoestrutura

e terem uma sequência de ADN

que codifica uma sequência de proteínas

que lhes dá um plano,
uma ordem de construção,

que lhes permite contruir
estas estruturas maravilhosas.

Regressando à concha de haliote,

o haliote produz estas conchas
com proteínas

Estas proteínas
têm uma carga eléctrica negativa

o que lhes permite "puxar",
absorver, o cálcio do seu ambiente

e criar alternadamente camadas de cálcio /
carbonato / cálcio / carbonato, etc...

O haliote tem uma sequência
de aminoácidos

que diz: "É assim
que se constrói a concha.

"Aqui está a sequência de ADN,
aqui está a sequência de proteínas

"para construir a concha".

O que aconteceria se fosse possível
escolher qualquer material,

ou qualquer elemento da Tabela Periódica,

encontrar a sua sequência de ADN,

codificar a respectiva
sequência de proteínas

para construir uma estrutura

-- não uma concha
mas algo que nunca foi produzido --

de forma natural?

Aqui está a Tabela Periódica.

Acho a Tabela Periódica uma maravilha!

Todos os anos,
para receber os Caloiros no MIT,

tenho uma Tabela Periódica que diz:

"Bem-vindo ao MIT.
Agora estás no teu elemento." (Risos)

Do outro lado, uma tabela que indica

as cargas dos aminoácidos
para diferentes valores de pH.

E distribuo estas Tabelas
a milhares de alunos.

Eu sei que estas Tabelas dizem "MIT",
e que nós estamos no "CalTech",

mas tenho mais algumas,
se alguém as quiser...

Tive muita sorte

por o Presidente Obama
visitar o meu laboratório, este ano.

Quando ele visitou o MIT,

eu queria mesmo dar-lhe
uma Tabela Periódica.

Por isso, durante a noite,
perguntei ao meu marido:

"-- Como vou dar uma Tabela Periódica
ao Presidente Obama?"

E se ele me diz:
"- Oh, eu já tenho uma..."

Ou: "-- Já a memorizei, obrigado!" (Risos)

No dia seguinte, o Presidente Obama
visitou o meu laboratório,

-- foi uma ótima visita! --

e, no final, eu disse: "Sr. Presidente,
quero dar-lhe uma Tabela Periódica

"para numa dificuldade
calcular o peso molecular".

(Risos)

Pensei que "peso molecular"
soaria menos técnico

do que "massa molecular".

(Risos)

Ele olhou para a Tabela Periódica

e disse: "-- Obrigado.
Vou olhar para ela periodicamente."

(Risos)

(Aplausos)

Mais tarde, o Presidente fez um discurso
sobre "energia limpa",

mostrou a Tabela Periódica e disse:

"-- E as pessoas do MIT
oferecem Tabelas Periódicas". (Risos)

O que eu não vos disse

é que os organismos começaram a construir
conchas há 500 milhões de anos,

mas demoraram cerca de 50 milhões de anos
para serem bem sucedidos.

Demoraram cerca de 50 milhões de anos
a conseguirem perfeição

na produção desta concha de haliote.

Isto é difícil de explicar a um aluno:
"este projecto é para fazer

"em 50 milhões de anos"...
(Risos)

Temos que desenvolver uma forma

de fazê-lo mais rapidamente.

Utilizamos um vírus inofensivo

chamado bacteriófago M13,

cuja função é infectar bactérias,

que tem uma estrutura de ADN simples

que podemos cortar, e onde
podemos inserir porções adicionais.

Ao fazê-lo, permitimos ao vírus

codificar estruturas aleatórias
de proteínas.

Esta é uma forma muito básica
de biotecnologia.

Podemos fazer isto milhões de vezes.

Podemos ter milhões de variantes
do mesmo vírus,

geneticamente idênticas,

diferindo uma das outras
num pequeno detalhe,

numa sequência

que codifica uma proteína.

Se tomarmos todas estas variantes,

as colocarmos numa gota
de um meio de crescimento,

podemos forçá-las a interagir
com os elementos que quisermos

e, através de um processo
de selecção, de evolução,

podemos escolher de entre um milhão
o que faz o que nós queremos,

como produzir uma bateria
ou uma célula foto-voltaica.

Para que os vírus se possam replicar,
eles precisam de um hospedeiro.

Assim que identificamos o vírus,
podemos usá-lo para infectar uma bactéria,

e fazer milhões e milhões de cópias
dessa sequência em particular.

Uma coisa maravilhosa na biologia

é que produz estruturas complexas

com ligações entre diferentes escalas.

Estes vírus são longos e finos

pelo que podemos utilizá-los

para produzir materiais
como semicondutores

ou componentes para baterias

Esta é uma bateria
que eu fiz crescer no meu laboratório.

Criámos um vírus para montar
nanotubos de carbono.

De cada vez que o vírus
encontra um nanotubo de carbono,

a outra parte do vírus tem uma sequência

que produz um material
para o eléctrodo de uma bateria

e que se liga ao colector.

Através de um processo de selecção,

conseguimos partir de um vírus
que fazia uma bateria tosca

e chegar a um vírus
que faz uma boa bateria;

uma bateria capaz de bater recordes,
de alto desempenho,

construída a temperatura ambiente,
numa bancada de laboratório.

Essa bateria foi à Casa Branca,
para uma conferência de imprensa,

e eu trouxe-a aqui, hoje.

Podem vê-la nesta caixa -- produz
electricidade para manter o LED aceso.

Se fôssemos capazes de aumentar
a escala desta bateria,

poderíamos usá-la para alimentar um Prius

-- é o meu sonho -- conduzir um carro
eléctrico alimentado por um vírus.

(Risos)

Essencialmente, é este o princípio:

podemos escolher um vírus num milhão

e produzir inúmeras cópias...

Podemos amplificar o processo,

criar condições para auto-organização

numa estrutura como uma bateria.

Somos capazes de fazer isto
com catalizadores.

Isto é um exemplo

de um separador catalítico de água.

O que fomos capazes de fazer

foi criar um vírus que absorve
moléculas de pigmentos

armazenando-as na superfície do vírus

o que funciona como uma antena

conseguindo um mecanismo
de transferência de energia.

Associamos um segundo gene

que permite acumular
um material inorgânico

que pode ser utilizado
para separar a água nos seus componentes,

oxigénio e hidrogénio,

e que pode ser utilizado
para produzir combustível limpo.

Trouxe um exemplo comigo, hoje.

Os meus estudantes
garantiram-me que iria funcionar.

Isto são nanofilamentos criados por vírus.

Quando os iluminamos,
podemos vê-los borbulhar

-- neste caso, vemos bolhas de oxigénio.

(Aplausos)

Através da manipulação dos genes,

podemos controlar muitos materiais
para melhorar o desempenho

dos mais diversos dispositivos.

O último exemplo: células foto-voltaicas,
com que também podemos fazer isto.

Conseguimos manipular vírus
para utilizarem nanotubos de carbono

e fazerem crescer
dióxido de titânio à volta deles,

o que permite obter electrões livres.

Descobrimos que,
através de manipulação genética,

foi aumentar a eficiência
destas células foto-voltaicas

para valores recorde

para estes tipos de sistemas.

Cá está uma célula desse tipo

que poderemos experimentar lá fora,
daqui a pouco.

Uma célula foto-voltaica
produzida por vírus.

Através de manipulação e selecção,

conseguimos levar uma célula foto-voltaica
com 8% de eficiência,

a apresentar 11% de eficiência.

Espero tê-los convencido

de que há um grande número de coisas
interessantíssimas a aprender

sobre como alguns materiais
são produzidos na Natureza

e, no passo seguinte,

compreender se somos capazes
de usar a forma

como a Natureza produz
estes materiais,

para produzir materiais
com que a Natureza nunca sonhou.

Obrigada! (Aplausos)