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 nú. 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.

(Palmas) 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% (massa) é carbonato de cálcio

e os restantes 2% (massa) é proteína.

Com esta constituição, é 3000 vezes mais resistente

que o carbonato de cálcio simples.

E muitas pessoas usam estruturas como estas conchas,

como o giz, por exemplo

Fascina-me, saber como a Natureza cria estes materiais,

e há processos extremamente complexos

para conseguir criá-los.

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 permitem a criaçãoo destes estruturas complexas.

Uma coisa que considero fascinante

o que aconteceria se pudessemos 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

a 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 seu 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 um haliote macho e uma haliote fêmea

quando passam a informação genética,

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

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

"utilizando materiais não tóxicos"

O mesmo se passa com diatomáceas (que mostro aqui), que são estruturas vítreas

Sempre que uma diatomácea se reproduz,

a sua informação genética "diz"

"Aqui está a forma de construir vidro"

"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 brincar e dizer que o meu biomaterial favorito é o meu filho de quatro 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...

... seremos capazes de levá-los a trabalhar com outras matérias-primas,

de forma a que construam uma estrutura

que será importante para nós?

Para projectar as tecnologias do futuro

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

De uma forma simplista, 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 atrás

-- durante o Câmbrico --

que os organismos marinhos começaram a produzir materiais resistentes

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 resistentes.

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 DNA e anticorpos

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

que apresentam uma estrutura "nanoscópica";

A Natureza apresenta muitas alternativas

de estruturas nanoscópicas complexas.

E se fosse possível "domesticá-las"

convencê-las a não ser um anticorpo

que provoca 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 orientação

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 amino-ácidos

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 um qualquer material,

ou um qualquer elemento da Tabela Periódica,

encontrar a sua correspondente sequência de ADN

codificar a sua 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 que os aminoócidos apresentam para diferentes valores de pH.

E distribuo estas Tabelas a milhares de Alunos.

Eu seu 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 visitou o MIT,

... eu queria mesmo dar-lhe uma Tabela Periódica,

e fiquei acordada pela noite dentro, e 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)

Assim, no dia seguinte, o Presidente Obama visitou o meu laboratório,

conversou sobre o trabalho em curso - foi uma visita interessante ! -

e, no final, eu disse:

"- Sr. Presidente, quero oferecer-lhe uma Tabela Periódica"

"... para o caso se se encontrar numa situação embaraçosa e precisar de calcular o peso molecular" (risos)

(pensei que "peso molecular" soaria menos técnico que

"massa molecular") (risos)

Ele olhou para a Tabela Periódica

e disse

"- Obrigado. Vou olhar para ela periodicamente."

(risos)

(palmas)

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

mostrou a Tabela Periódica e disse:

"- E as pessoas do MIT oferecem Tabelas Periódicas"

... o que eu não Vos disse

... é que os organismos começaram a contruir 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 esta perfeição na produção desta concha de haliote

... isto é muito difícil explicar a um estudante (Risos):

"- Tenho este projecto para fazer em 50 milhões de anos"

pelo que temos que desenvolver uma forma

de conseguir realizá-lo mais rapidamente.

Utilizamos um virus que é inofensivo (não-tóxico)

chamado bacteriófago M13

(a sua função é infectar bactérias)

que tem uma estrutura de ADN particularmente simples

que podemos cortar, e onde podemos inserir

outras porções adicionais.

Fazendo isto, permitimos ao vírus

codificar estruturas aleatórias de proteínas

é uma forma muito básica de biotecnologia

Podemos fazer isto milhões de vezes

podemos ter milhões de variantes do mesmo vírus

que são 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 força-las a interagir com os elementos que quisermos da Tabela Periódica

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

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

como produzir uma bateria ou uma célula fotovoltaica

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

Assim que identifiquemos o vírus que procuramos,

podemos utilizá-lo para infectar uma bactéria,

e fazemos milhões e milhões de cópias

dessa sequência em particular

Uma coisa maravilhosa na Biologia...

... é que a Biologia produz estruturas complexas

com ligações entre diferentes escalas (de tamanho)

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...

... cada vez que o vírus encontra um nanotubo de carbono

... 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 uma vírus que faz uma boa bateria;

uma bateria capaz de bater records, 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 - está a produzir electricidade capaz de manter este LED aceso;

Se fôssemos capazes de aumentar a escala desta bateria,

poderíamos usá-la para

alimentar um carro eléctrico (Prius - modelo da Toyota)

aqui está o meu sonho - conduzir um carro eléctrico alimentado por um vírus (Risos e palmas).

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 (célula de hidrogénio)

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

o 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

Através da manipulação dos genes,

Podemos controlar muitos materiais para melhorar o funcionamento dos mais diversos dispositivos.

O último exemplo são células solares

Também podemos produzir células fotovoltaicas

Conseguimos manipular vírus

para utilizarem nanotubos de carbono

e fazerem crescer dióxido de titânio à volta deles

o que permite obter electrões livres

o que conseguimos, através de manipulação genética,

foi aumentar

a eficiência destas células fotovoltaicas

para valores record

para estes tipos de sistemas (baseados em dióxido de titânio)

Cá está uma célula desse tipo

que poderemos experimentar lá fora, daqui a pouco

Uma célula fotovoltaica produzida por vírus.

Através de manipulação e selecção,

conseguimos levar uma célula fotovoltaica com 8% de eficiência

a apresentar 11% de eficiência.

Espero tê-los convencido

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 fazer com que

a forma como, na Natureza, estes materiais são produzidos,

seja utilizada para produzir materiais com que a Natureza nunca sonhou.

Obrigada! (palmas)