Angela Belcher: Pil üretmek için doğayı kullanmak

Deniz kulağı kabugundan ilham alan Angela Belcher, virusleri insanoglunun faydalanmasi icin nanoölçekli yapilar yapmaya programliyor. yuksek programli genleri, evrimin yondendirmesi ile secerek, yeni guclu piller, rekor kiran gunes pilleri ve temiz hydrogen pilleri yapan virusleri uretiyor. Bunlari nasil basardigini TedxCaltech de acikliyor.

Doğanın nasıl materyal yarattığı hakkında konuşabileceğimi düşündüm.

Yanımda bir deniz kulağı kabuğu getirdim.

Bu deniz kulağı kabuğu kütlece

%98 kalsiyum karbonat

ve %2 protein içeren bir biyokompozit.

Yine de jeolojik benzerlerinden

3000 kat daha dayanıklı.

Ve birçok insan deniz kulağı kabukları gibi yapıları

tebeşir gibi kullanabilirler.

Doğanın malzemeleri nasıl yaptığına hayran olmuştum,

ve bu hassas işi nasıl

yaptıklarının bir sürü sırrı var.

Mesela bu malzemeler

yapısal olarak makroskobikler,

ama nano ölçekte oluşmuşlar.

Nano ölçekte oluşmuşlar,

ve onlara bu hassas yapıları oluşturmalarına yardım edecek

genetik seviyede kodlanmış proteinleri kullanıyorlar.

Ve büyüleyici bulduğum birşey şu ki

ya bataryalar ve güneş pilleri gibi

cansız yapılara

yaşam verebilseydiniz?

Ya deniz kulağı kabuğunun yapabildiği gibi

,yapabilmek derken,

oda sıcaklığında ve basıncında

hassas yapılar oluşturmak için

toksik olmayan kimyasalları kullanıp

ve toksik olmayan malzemeleri

tekrar doğaya salabilselerdi?

Bu benim düşündüğüm bir görüştü.

Ya bir petri kabında pil yetiştirebilseydiniz?

Ya da, ya bir pile genetik bilgi verebilseydiniz

ve böylece zamanın bir fonksiyonu olarak

daha iyi olabilirdi,

ve bunu çevre dostu olacak şekilde yapabilseydiniz?

Ve böylece, tekrar deniz kulağı kabuğuna dönersek

nano ölçekte olmasının yanı sıra

büyüleyici olan bir diğer özelliği,

bir erkek ve dişi deniz kulağı yan yana geldiğinde,

birbirlerine "Bu hassas bir yapı oluşturmanın yoludur.

Oda sıcaklığı ve basıncında işte böyle yaparsın,

toksik olmayan malzemeler kullanarak."

diyen genetik bilgiyi aktarırlar.

Diatomlarda da aynı, ki burada camdan yapılar olarak gösteriliyorlar.

Diatomlar her çoğaldığında

birbirlerine "İşte mükemmel bir nano-yapıda

bir camı okyanusta inşa etmenin

yolu budur. Ve bunu aynı şekilde

tekrar tekrar yapabilirsin." diyen genetik bilgiyi aktarırlar.

Yani ya aynı şeyi bir güneş pili

ya da bataryada da yapabilseydiniz?

Favori materyalimin 4 yaşımdaki halim olduğunu söylemek istiyorum.

Çocuğu olanlar, ya da tanıyanlar onların

inanılmaz karmaşık organizmalar olduğunu bilir

Ve onları yapmak istemedikleri birşeyi

yapmaya ikna etmek isterseniz, bu çok zordur.

Gelecekteki teknoloji hakkında düşündüğümüz zaman

aslında bakteri ve virüsü kullanmayı düşünüyoruz,

basit organizmaları.

Onları benim için önemli olacak bir yapı

oluşturmaları için

çalışmaya ikna edebilir misiniz?

Aynı zamanda, gelecekteki teknolojiyi düşünürken,

Dünya'nın başlangıcıyla başlıyoruz.

Temelde, Dünya'da yaşamın oluşması

bir milyar yıl aldı.

Ve büyük bir hızla, çok hücreli oldular,

çoğalabiliyorlardı, enerji kaynaklarını elde etmek için

fotosentezi kullanabiliyorlardı.

Ama bu 500 milyon yıl öncesine kadar gerçekleşmedi --

Kambriyen jeolojik zaman süreci boyunca --

okyanustaki bu organizmalar sert malzemeler üretmeye başladılar.

Yumuşak ve kabarık olmadan önce.

Ve bu zaman boyunca

doğada kalsiyum, demir ve silikon

artışı oldu.

Ve organizmalar nasıl sert malzemeler yapacaklarını öğrendiler.

İşte benim yapabilmeyi istediğim şey bu --

biyolojiyi periyodik tablonun

geri kalanıyla çalışmaya ikna edebilmek.

Şimdi, eğer biyolojiye bakarsanız,

DNA, antikorlar, proteinler ve ribozomlar gibi

var olduğunu bildiğiniz şeyler

zaten nano-ölçekte.

Yani doğa bize nanoölçekteki hassas

yapıları zaten veriyor.

Acaba onlari HIV

gibi bir antikor olmadiklarina ikna etsek

nasil olurdu?

Yada onlari bizim icin gunes pilleri

yapmaya ikna etsek?

iste burada bazi ornekler var: Bunlar dogal kabuklar.

bunlar dogal biyolojik maddeler

Deniz kulagu kabuklari burda- ve eger kirabilirseniz

bunlarin gercekte nano olcekli yap[lar oldugunu goreceksiniz.

bunlar SiO2 (silica) dan yapilmis diatomlar

ve bunlar yon bulmak icin kucuk,

tek alanli miknatislar yapan magnetotactic bakteriler

bunlarin sahip olduklari ortak sey ise

butun bu yapilarin ve mlzemelerin nano olcekte olmasi

ve protein dizisi uretmek icin

bir DNA dizisine sahip olmalari

Bu DNA dizisi onlara bu mukemmel yapilari

insa etmek icin gerekli plani sagliyor.

Simdi, deniz kulagi kabuguna geri donelim,

deniz kulagi bu proteinle sayesinde bu kabugu yapabiliyor.

Bu proteinler eksi yukle yuklenmis.

ve cevredeki kalsiyumu (Ca +2) kendilerine cekebilyorlar

bir sira kalsiyum, bir sira karbonat koyuyorlar, kalsiyum ve karbonat ve bu sekilde devam ediyor.

onun amino asitlerinin kimyasal sirasi

ona "iste kabugu bu sekilde yapacaksin" diye soyluyor.

Yapman icin iste DNA dizilisi, iste protein

dizilisi.

Ve boylece baska bir ilginc fikir olusuyor, Acaba istediginiz herhangi bir maddeyi

yada periodik tabladaki herhangi bir elementi alip

ona ait DNA dizilisini bulsak

ve bu dizilisile ona maddeye ait protein dizilisini kodlasak,

ve boylece deniz kulagindan baska bir yapi olustursak

doğa yoluyl daha once hic calisilma firsati olmamis

baska birsey insa etsek.

Ve burda periyodik tablo var.

Ben periyodik tabloyu kesinlikle cok seviyorum.

Her sene MIT ye yeni gelen ogrenciler icin

soyle diyen bir periyodik tablo hazirladim:

MIT ye hosgeldiniz. Simdi elementinizlesiniz.

ve tabloyu dondurduklerinde degisik PH degerliklerindeki

degisik elektrik yuklu aminoasitkeri goruyorlar.

bunu simdiye kadar binlerce ogrenciye dagittim.

Biliyorum burasi Caltech, ve biliyorum tablonun uzerinde MIT yaziyor

ama isteyen olursa yanimda fazladan bir kac tane var.

bu yil Baskan

Obama MIT i ziyaret ettigi sirada benim labaratuarimi

ziyaret ettigim icin gercekten cok sansliydim.

Ve O'na gercekten bir periyodik tablo hediye etmek istiyordum.

Bunu butun gece dusundum, esimle konustum

"Baskan Obama'ya periyodik tabloyu nasil verebilirim?"

Ya " aa ben de bir tane var" derse

yada "ben onu zaten ezbere biliyorum" derse?

Ve ziyaret zamani geldi

gercekten cok guzel bir ziyaretti

ve sonra ben soyle dedim

"Efendim, Eger zor durumda kalir ve

molekül ağırlığıni hesap etme ihtiyaciniz olur diye size periyodik tablo vermek istiyorum. "

molekül ağırlığın mol agirligina gore daha az inek

olur diye dusundum.

Baskan tabloya bakti

ve soyle dedi:

"tesekkur ederim, periyodik olarak kullanicam"

(Gulusmeler)

(Alkis)

Daha sonra temiz enerji konusunda bir konusma yapti

ve ona verdigim periodik tabloyu cikartip:

"MIT deki insanlar periyodik tablo veriyor" dedi.

Yani temel olarak size soylemedigim su ki

Organizmalarin maddeleri yapmaya baslamasi yaklasik 500 milyon yil once

fakat bu iste iyi olmalari onlarin 50 milyon senelerini almis.

Organizmalar 50 milyon senelerini

mukemmel bir deniz kulagi yapmayi ogrenmek icin vermisler.

ve bunu bir yuksek lisans ogrencisine anlatmak cok zor.

"Senin icin mukemmel bir projem var-50 milyon senelik"

iste bu yuzden bizim bunu

daha cabuk yapavak bir yol gelistirmemiz gerekli.

bu yuzden biz non-toxic M13

bakteriofaj denilen ve gorevi

bakteriyi enfekte etmek olan bir virus kullaniyoruz.

onun basit bir DNA yapisi

var ve siz baska DNA dizilerini

onun DNA sina kesip yapistirabiirsiniz.

Bu sekilde virus rastgele

protein dizilerini nakil edebilir.

bu cok basit bir biyoteknoloji.

Ve bunu isterseni milyarlarca kere yapabilirsiniz.

Buna devam ediyorsunuz ve genetik yapisi ayni olan

milyarlarca virus elde ediyorsunuz..

fakat sadece

bir protein dizilisini

saglayan kodlari farkli.

simdibu milyarlarca virusu

bir damla sivinin icine koysak

onlari periyodik tabla uzerindeki istediginiz herhangi bir element ile etkilesmeye zorlayabilir

ve seleksiyon evriminin isleyisine gore

sizin hosunuza giden bir tanesini bu milarlarca virusun icinden cekip alabiliriz.

bu sanki bir pil yada gunes pil yetistirmeye benziyor.

basitce, virusler kendi kendilerine cogalamazlar. onlara bir ev sahibi gereklidir.

Ne zaman aradiginiz isi yapan virusu bir milyarin icinde buldunuz

onu bir bakteriye enfekte edersiniz.

ve ondan belli dizilisi olan milyonlarca

ve milyarlarca kopya elde etmis olursunuz.

Biolojinin diger bir guzelligi de

size gercekten cok zarif yapilari

uygun olcekteki baglantilari ile verir.

bu virusler uzun ve ince

bu ozelliklerini yariiletken maddeler

yada piller icin materyeller

elde etmekte kullanabiliriz.

Iste bu gordugunuz laboratuvarda urettigimiz yuksek guclu bir pil.

bir virusu karbon nanotupleri tutan bir muhendis haline getirdik.

yani virusuun bir kismi karbon nanotubleri tutarken

diger kismi pil icin gerekli materyeli uretecek

diziye sahip.

materyal buyudukce akim iletkeninin uzerinde bir tel seklini aliyor

secici evrim sayesinde

siradan bir pil insa eden virusten

kaliteli pil, yuksek guce sahip

pil yapabilen bir virus elde ettik.

ve bunlarin hepsi basit bir laboratuar tezgahinda ve oda sicakliginda yapildi.

Bu yaptigimiz pil, Beyaz Sarayi bir basin toplantisi icin ziyaret etti.

onu buraya da getirdim.

iste bu gordugunuz LED isigini calistiran pil o pil.

Eger bunun olculerini degistirirsek

bunu Prius da (Toyota prius hibrid araba)

kullanabilecesiniz

ki virus gucu ile calitirilan bir araba benim hayallimdi.

ama bu basitce

milyarda birini cekip cikarmak.

Bunu birçok ilâvelerle yapabilirsiniz.

bu ilaveleri laboratuarda yapmaniz mumkun.

daha sonra bu yapiyi birlestirip

pil seklini veriyorsunuz.

Bunu katalizorlerle de yapmaniz mumkun

bu ornekte gordugunuz gibi

bu suyun fotokatalik parcalanmasi.

bunu su sekilde yapmayi basardik:

virus boya emen molekulleri tutmasi icin dizayn edildi.

ve bu molekuller virusun uzerine dizildi

ve anten gibi davrandi

boylece virus uzerinden enerji transferini sagladik.

ve viruse suyu

hidrijen ve oksijene ayiracak

inorganik materyeli olusturmasi icin

ikinci bir gen verdik.

bu yapi temiz yakitlar icin kullanilabilir.

Buraya bir ornegini getirdim.

Ogrencilerim bana calisacagina dair soz verdiler.

bunlar viruslerden olusmus nanoteller.

uzerlerine isik tuttugumuda baloncuklar cikardiklarini goreceksiniz.

oksiyen gazi olusuyor.

verilen geni kontrol ederek

olusturdugunuz maddenin ozelliklerini cihazinizin performansi icin gelistirebilirsiniz.

son ornegim gunes pilleri.

bunu gunes pilleri icin de yapabilirsiniz.

biz karbon nanotubleri tutacak

virusleri olusturduk

ve onlarin cevresine titanyum dioksit ile kapladik

bu sayede aletten elektron akisini elde elebiliriz.

ve anladik ki, gen muhendisligi ile

boya hassasiyetli

gunes pillerinin

performansini

arttirabilirsiniz.

Size bunlardan da bir tane getirdim.

Bunlarla birazdan goz atabilirsiniz.

bu virus tabanli gunes pili.

Seleksiyon ve evrim yolu ile

biz % 8 performansligunes pillerini

% 11 lik performansa cikartabildik.

Umarim sizi pgrenilecek bircok mukemmel

ve ilginc sey

Ve dohanin nasil maddeleri yaptigi hakkinda

ve eger zorlarsaniz

bir sonraki basamaga gecebilecegimiz hakkinda

yada doganin bile henuz yapmayi hayal edemedigi maddeleri

insa etmek ve kullanmak konusunda ikna edebilmisimdir.

Teşekkür ederim.