Korišćenje prirode za uzgoj baterija

Inspirisana abalon školjkom, Anđela Belčer programira viruse kako bi formirali elegantne strukture, reda nano veličine, koje ljudi mogu da koriste. Selektujući gene visokih performansi kroz direktnu evoluciju, ona je proizvela viruse koji mogu izgraditi nove, moćne baterije, čista vodonična goriva i solarne ćelije rekordne efikasnosti. Na TEDxCaltech konferenciji, pokazuje nam kako se to radi.

Mislila sam da govorim o tome
kako priroda stvara materijale.

Donela sam jednu abalon školjku.

Ona je biokompozitni materijal,

čija je masa sastavljena
od 98 odsto kalcijum karbonata

i 2 odsto proteina.

Pa ipak, 3000 puta je jača

od svog geološkog duplikata.

Mnogi ljudi mogu koristiti strukture
poput abalon školjke,

kao što je kreda.

Bila sam fascinirana načinom
na koji priroda stvara materijale,

a postoji i mnogo tajni

u načinu na koji ona vrši
takav izuzetan posao.

Jedan deo ovoga jeste da su ovi materijali

po strukturi makroskopski,

međutim formirani su na nano skali.

Formirani su na nano skali

i koriste proteine koji su šifrirani
na genetskom nivou

da bi im dozvolili da izgrade
ove zaista izvrsne strukture.

Fascinira me pomisao

da bismo mogli da podarimo život

neživim strukturama,

poput baterija i solarnih ćelija.

Šta ako bi oni imali neke od sposobnosti

koje abalon školjka ima,

u pogledu mogućnosti

da izgradi veoma izvrsne strukture,

na sobnoj temperaturi i sobnom pritisku

koristeći netoksične hemikalije

i ne ispuštajući ikakve toksine
u životno okruženje?

To je vizija o kojoj sam razmišljala.

Šta ako bismo mogli da uzgojimo
bateriju u Petrijevoj šolji?

Ili, šta ako bismo mogli bateriji
da damo genetsku informaciju

tako da zapravo postane bolja

u smislu njenog životnog veka,

a da to uradimo na način
koji je prijateljski prema okruženju?

Vratimo se sada na ovu abalon školjku,

osim što je nano strukturisana

jedna stvar koja je fascinantna

je da kada se muška i ženska
abalon školjka nađu zajedno

one prenose genetske informacije

koje kažu: "Ovako se izgrađuje
jedan izvrstan materijal.

Ovako se to radi
na sobnoj temperaturi i pritisku,

korišćenjem netoksičnih materijala".

Isti je slučaj i sa silikatnim algama,
staklaste strukture, prikazane upravo ovde.

Svaki put kada se ove alge kopiraju,

daju genetsku informaciju koja kaže:

"Evo kako da u okeanu izgradite staklo

koje je savršene nano strukture.

Ovo možete da ponavljate, iznova i iznova".

Šta ako biste mogli da uradite istu stvar

sa solarnom ćelijom ili baterijom?

Volim da kažem da je moj omiljeni biomaterijal moj četvorogodišnjak.

Svako ko je čuo ili zna malu decu,

zna da su oni neverovatno složeni organizmi.

Ako biste želeli da ih ubedite

da urade nešto što oni ne žele, to je veoma teško.

Kada mislimo o budućim tehnologijama

zapravo mislimo na upotrebu bakterija i virusa,

jednostavnih organizama.

Možete li ih ubediti da rade sa novim alatom,

tako da mogu izgraditi strukturu

koja će za mene biti značajna?

Takođe, kada mislimo o budućim tehnologijama,

počinjemo sa početkom Zemlje.

U osnovi, bilo je neophodno milijardu godina

da se stvori život na Zemlji.

Ubrzo su nastali višećelijski organizmi,

mogli su da se reprodukuju, da koriste fotosintezu

kao način dobijanja energetskog izvora.

Ali do pre 500 miliona godina --

tokom geološkog perioda Kambrijuma --

organizmi u okeanu nisu mogli da formiraju čvrste materijale.

Pre toga, svi su bili mekane, paperjaste strukture.

Tokom ovog perioda

postojale su uvećane količine kalcijuma, gvožđa

i silikona u životnom okruženju

i organizmi su naučili kako da naprave ove čvrste materijale.

To je ono što bih volela da mogu da uradim --

da ubedim biologiju

da sarađuje sa ostatkom periodnog sistema elemenata.

Sada, ako pogledate biologiju,

videćete mnoge strukture poput DNK i antitela

i proteina i ribozoma za koje ste čuli,

a koji su već nano strukturirani.

Dakle, priroda nam već daje

zaista izvrsne strukture na nano skali.

Šta ako bismo mogli da ih iskoristimo

i ubedimo ih da ne budu antitela

koja se bave nečime poput HIV-a?

Ali šta ako bismo mogli da ih ubedimo

da za nas izgrade solarnu ćeliju?

Evo nekih primera: ovo su neke od prirodnih školjki.

Postoje prirodni, biološki materijali.

Ova abalon školjka ovde -- ako je polomite,

možete videti da je zapravo nano strukturirana.

Ima silikatnih algi koje su napravljene od silikon dioksida,

i one su magnetotaktične bakterije

koje stvaraju male magnete u jednom području radi navigacije.

Ono što im je svima zajedničko

jeste da su svi ovi materijali strukturisani na nano skali,

i imaju DNK niz

koji šifrira proteinski niz

i daje im šemu

da bi mogle da naprave ove zaista divne strukture.

Sada, vratimo se na abalon školjku,

koja stvara svoju ljušturu od ovih proteina.

Ovi proteini su jako negativno naelektrisani.

Mogu da privuku kalcijum iz okruženja,

deponuju sloj kalcijuma onda karbonata, kalcijuma pa karbonata.

Ima hemijske nizove amino kiselina,

koje kažu, "Evo kako da izgradite tu strukturu.

Evo DNK niza, evo proteinskog niza

da biste ih napravili".

Jedna interesantna ideja je, šta ako biste mogli da uzmete koji god materijal poželite,

ili bilo koji element periodnog sistema elemenata,

i da nađete njegov odgovarajući DNK niz,

onda ga šifrirate za odgovarajući proteinski niz

da biste izgradili strukturu, ali ne abalon školjku --

da biste izgradili nešto sa čime

do sada nisu imali prilike da rade kroz prirodu.

Ovo je periodni sistem elemenata.

Ja ga apsolutno obožavam.

Svake godine za brucoše na Masačusetskom tehnološkom institutu

imam periodni sistem koji kaže:

"Dobrodošli na MTI. Sada ste u svom elementu".

Ako ga okrenete, videćete amino kiseline

sa pH na kome prolaze kroz različite promene.

Ovo podelim hiljadama ljudi.

Znam da piše MTI, a da je ovo Kaltek,

ali imam nešto viška za ljude koji ih žele.

Bila sam veoma srećna

kada je predsednik Obama posetio moju laboratoriju ove godine

tokom njegove posete MTI-u,

i zaista sam želela da mu dam periodni sistem elemenata.

Ostala sam budna celu noć i pričala sam sa svojim mužem,

"Kako da dam predsedniku Obami periodni sistem?

Šta ako kaže: "Oh, već imam jedan",

ili: "Već sam ga zapamtio"? (Smeh)

I tako je on došao da poseti moju laboratoriju

i razgledao je okolo -- bila je to sjajna poseta.

Nakon toga, rekla sam,

"Gospodine, želela bih da vam dam periodni sistem

u slučaju da ste ikada u teškoj situaciji i treba da izračunate molekularnu težinu".

Mislila sam da molekularna težina zvuči manje štreberski

od molarne mase.

On ga je pogledao

i rekao:

"Hvala Vam. Pogledaću ga periodično".

(Smeh)

(Aplauz)

Kasnije ga je, u lekciji koju je držao na temu čiste energije,

izvukao i rekao:

"A ljudi na MTI-ju, oni dele periodne sisteme".

Ono što vam nisam rekla je da su

pre oko 500 miliona godina, organizmi počeli da stvaraju materijale,

ali im je bilo neophodno oko 50 miliona godina da bi postali dobri u tome.

I trebalo im je 50 miliona godina

da bi usavršili stvaranje te abalon školjke.

Maturante je teško ubediti u ovo. (Smeh)

"Imam ovaj izvanredan projekat -- 50 miliona godina."

Morali smo da razvijemo način

da pokušamo da uradimo ovo brže.

Tako koristimo viruse, tj. netoksične viruse

nazvane M13 bakteriofazi

čiji je posao da zaraze bakteriju.

Ima jednostavnu DNK strukturu

koju možete iseći i na nju nalepiti

dodatne DNK nizove.

Radeći ovo, dozvoljavate virusu

da izrazi različite proteinske nizove.

Ovo je veoma laka biotehnologija.

Ovo doslovce možete uraditi milijardu puta.

Tako, imate milijardu virusa

koji su genetski isti,

ali koji se malo razlikuju međusobno na vrhovima,

na jednom nizu

koji šifrira jedan protein.

Ako uzmete milijardu virusa

i stavite ih u jednu kap tečnosti

možete ih naterati da reaguju sa bilo čime iz periodnog sistema.

Procesom selektivne evolucije možete izvući

jednog iz milijarde koji će da radi tačno ono što biste želeli,

kao na primer, da uzgoji bateriju ili solarnu ćeliju.

U osnovi, virusi ne mogu da se razmnožavaju, treba im domaćin.

Jednom kada nađete tog jednog u milijardi,

zarazite bakteriju njime

i stvorite milione i milijarde kopija

upravo tog niza.

Druga stvar koja je divna u vezi sa biologijom

jeste što vam biologija pruža izvanredne strukture

sa veoma finim vezama skala.

Ovi virusi su dugi i mršavi,

i možemo ih naterati da izraze sposobnost

izgradnje nečega poput poluprovodnika

ili materijale za baterije.

Ovo je baterija visokog napona koju sam uzgojila u laboratoriji.

Napravili smo virus koji može da podigne ugljenične nano cevčice.

Dakle, jedan deo virusa podigne ugljeničnu nano cevčicu.

Drugi deo virusa ima niz

koji može da izgradi elektrodu za bateriju.

Onda se poveže za kolektor struje.

Tako, kroz proces selektivne evolucije,

smo napredovali od virusa koji je mogao da napravi jadnu bateriju,

preko virusa koji može da napravi dobru bateriju,

do virusa koji je napravio jaku bateriju, koja obara rekorde, a sve

ovo je napravljeno na sobnoj temperaturi, praktično na radnoj površini.

Ta baterija je poslata u Belu kuću, na konferenciju za štampu.

Ja sam je donela ovde.

Ovde je možete videti kako osvetljava ovu "LED" diodu.

Ako bismo mogli da odmerimo ovo,

mogli biste da je koristite

za pokretanje vašeg Prijusa,

što je moj san -- da vozimo automobile pokrenute virusima.

U osnovi --

možete da dobijete jednog u milijardi.

Možete napraviti puno pojačanja na ovome.

U osnovi, možete napraviti pojačanje u laboratoriji

i možete je naterati da se sama sastavi

u strukturu nalik bateriji.

U mogućnosti smo da ovo uradimo i sa katalizom.

Ovo je primer

fotokatalitičkog razdvajanja vode.

Ono što smo u mogućnosti da uradimo je da

napravimo virus koji može da uhvati molekule koji vezuju boju

i poređa ih po površini virusa

tako da se ponašaju kao antena,

a vi dobijete protok energije preko virusa.

Onda mu damo još jedan gen

da bi uzgojio neorganski materijal

koji se može koristiti da razdvoji vodu

na kiseonik i vodonik

koji se mogu upotrebiti za čista goriva.

Danas sam sa sobom donela jedan primerak.

Moji studenti su mi obećali da će raditi.

Ovo su nano žice sastavljene uz pomoć virusa.

Kada ih obasjate svetlošću, vidite kako se formiraju mehurići.

U ovom slučaju, vidite mehuriće kiseonika kako izlaze.

U osnovi, kontrolišući gene, možete kontrolisati

mnogo materijala da biste unapredili učinak vašeg uređaja.

Poslednji primer su solarne ćelije.

Ovo takođe možete uraditi sa solarnim ćelijama.

Možemo da napravimo viruse

koji podižu ugljenične nano cevčice

i onda uzgoje titanijum-dioksid oko sebe --

i koriste ga kao način da pokrenu elektrone kroz uređaj.

Ono što smo otkrili jeste da kroz genetski inženjering,

zapravo možemo povećati

učinak ovih solarnih ćelija

do rekordnih brojeva

za ove tipove sistema osetljivih na boje.

Donela sam i jednu od njih takođe

sa kojom posle možete da se igrate napolju.

Dakle, ovo je solarna ćelija zasnovana na virusima.

Kroz evoluciju i selekciju

došli smo od solarne ćelije sa učinkom od 8 odsto

do solarne ćelije sa učinkom od 11 odsto.

Nadam se da sam vas ubedila

da postoji mnogo velikih, interesantnih stvari koje se mogu naučiti

o proizvodnji materijala --

i dovođenja proizvodnje na sledeći nivo

da bismo videli da li možete da prisilite ili da li možete

da iskoristite prednost načina na koji priroda stvara materijale,

da biste stvorili materijale o kojima priroda još i ne sanja.

Hvala vam.