Sobre el uso de la naturaleza para crear baterías | Angela Belcher | TEDxCaltech

Esta charla es de un evento TEDx, organizado de manera independiente a las conferencias TED. Más información en: http://ted.com/tedx

Inspirada por una concha de abulón, Angela Belcher programa virus para crear elegantes estructuras a escala nanométrica que los humanos pueden usar. Seleccionando los genes de alto desempeño en una evolución dirigida, ella ha producido virus que pueden construir nuevas y poderosas baterías, combustibles de hidrógeno limpios y celdas solares mejores que cualquiera. En TEDxCaltech nos muestra cómo se hace.

Estoy muy emocionada de estar aquí para
celebrar este evento realmente especial.

Hablaré sobre el modo en que
la naturaleza crea materiales.

Traje una concha de abulón.

Esta concha de abulón
es un material biocompuesto

y el 98 % de su masa
es carbonato de calcio,

el otro 2 % es proteína.

Con todo ello, es 3000 veces más duro
que su contraparte geológica.

Y mucha gente podría usar estructuras
como las conchas de abulón, como tiza.

Estoy fascinada por la manera en
la que la naturaleza hace materiales

y hay muchos secretos sobre cómo hacen
un trabajo tan exquisito.

Parte de ello es que estos materiales
son macroscópicos en su estructura.

pero se forman a nanoescala.

Se construyen a nanoescala,

y usan proteínas que están
codificadas a nivel genético,

lo que les permiten construir
estas exquisitas estructuras.

Hay algo que encuentro
verdaderamente fascinante

y es ¿qué pasaría si se pudiera
dar vida a estructuras no vivas,

como baterías y celdas solares?

¿Y si tuvieran algunas
de las mismas capacidades

que la concha de abulón?

Es decir: ¿podrían construir

estructuras exquisitas
a presión y temperatura ambiente,

usando compuestos no tóxicos

y sin emitir materiales tóxicos
al medio ambiente?

Esa es la visión que tengo en mente.

¿Y si pudiéramos hacer crecer
una batería en una placa de Petri?

O, ¿qué tal si pudiéramos darle
información genética a una batería

que pudiera mejorar su desempeño
como función del tiempo,

y de forma ambientalmente amigable?

Volvamos a la concha de abulón,

además de tener una nanoestructura
otra cosa que es fascinante,

es que cuando el abulón macho
y la hembra se juntan,

pasan su información genética

que dice: "Esta es la manera
de hacer un material exquisito.

Aquí dice cómo hacerlo
a temperatura y presión ambiente,

usando materiales no tóxicos".

Igual con las diatomeas, que se muestran
aquí y que tienen estructuras vidriadas.

Cada vez que la diatomea se replica,

lleva consigo la información genética

que dice: "He aquí cómo construir
vidrio en el océano,

que es una perfecta nanoestructura.

Se puede hacer lo mismo una y otra vez".

¿Qué tal si pudiéramos hacer lo mismo
con una celda solar o una batería?

Me gusta decir que mi biomaterial
favorito es mi hijo de cuatro años.

Pero cualquiera que haya tenido
o conozca a niños pequeños

sabe que son organismos
increíblemente complejos.

Y que si uno quiere convencerlos

de hacer algo que no quieren,
es súper difícil.

Así que cuando pensamos
en las futuras tecnologías,

pensamos en usar bacterias y virus,
organismos simples.

¿Pueden convencerlos de que trabajen
con nuevas herramientas,

de manera que puedan construir
una estructura importante para mí?

Si pensamos tecnologías del futuro,

empezamos por el inicio de la Tierra.

Básicamente le llevó mil millones
de años generar vida al planeta.

Y de manera muy rápida
se convirtió en multicelular,

que podía replicarse
y podía usar fotosíntesis

para conseguir su propia energía.

Pero no fue sino hasta
hace 500 millones de años

durante el periodo Cámbrico,

que los organismos del océano
empezaron a hacer materiales duros.

Antes de eso todo era suave,
estructuras esponjosas.

Y fue durante ese tiempo

que hubo un incremento de calcio,
hierro y silicio en el ambiente.

Y los organismos aprendieron
a hacer materiales duros.

Así que eso es lo que me gustaría hacer,

convencer a la biología

para que trabaje con el resto
de la tabla periódica.

Ahora si miramos la vida,

hay muchas estructuras como
el ADN y los anticuerpos

y proteínas y ribosomas de
los que Uds. han oído hablar;

están hechos de nanoestructuras.

La naturaleza nos da

estructuras exquisitas
a nivel de nanoescala.

¿Y si pudiéramos domesticarlas
y convencerlas de no ser un anticuerpo

que hace algo como el HIV?

¿Y si pudiéramos convencerlas

de construir una celda solar
para nosotros?

Tenemos algunos ejemplos:
conchas naturales,

materiales biológicos naturales.

La concha de abulón aquí,
y si acaso la rompen,

pueden ver que es una nanoestructura.

Estas son diatomeas,
hechas de dióxido de silicio,

y estas son bacterias magneto-tácticas

que hacen pequeños imanes permanentes
usados para navegación.

Todas ellas tienen en común

que estos materiales tienen
estructuras a nivel de nanoescala,

y que tienen una secuencia de ADN
que codifica una secuencia proteica,

así que eso les da el bosquejo

para que puedan construir
estas maravillosas estructuras.

Ahora, volviendo a la concha de abulón,

el abulón hace esta concha
teniendo consigo estas proteínas.

Estas proteínas tienen
cargas muy negativas.

Y podrían sacar calcio del medio ambiente,

poner una capa de calcio y después
carbonato, calcio y carbonato.

Tiene la secuencia química
de los aminoácidos

que dice: "Así es como
se arma la estructura.

Aquí viene la secuencia de ADN,

aquí la secuencia de proteínas
para armar todo".

De aquí surge la idea: ¿y si se pudiera
tomar el material que uno quisiera,

o cualquier elemento
de la tabla periódica,

y encontrar la secuencia
de ADN que le corresponde,

y después codificar su secuencia
proteica para armar la estructura,

pero no construir una concha de abulón...

sino construir algo en lo que la
naturaleza no ha podido trabajar antes?

Aquí está la tabla periódica.
Yo amo la tabla periódica.

Cada año doy una clase
a los recién llegados al MIT,

y les regalo una tabla periódica que dice:

"Bienvenidos al MIT.
Ahora están en su elemento".

Si le dan la vuelta,
encontrarán los aminoácidos

con el pH en el que presentan
diferentes cargas.

Le regalo esta tabla a miles de personas.

Ya sé que dice MIT y estamos en Caltech,

pero tengo unas que me sobran
si acaso las quieren.

Y fui realmente afortunada
de recibir al presidente Obama

en mi laboratorio este año
en su visita al MIT,

y de verdad que tenía ganas
de regalarle una tabla periódica.

En una noche de insomnio
le dije a mi esposo:

"¿Cómo le podría dar una tabla
periódica al presidente Obama?"

Qué tal si me responde:
"¡Ah! Ya tengo una",

o, "Ya me la sé de memoria?"

Y finalmente llegó a mi laboratorio
y miró alrededor, fue una gran visita.

Y después le dije: "Señor, quisiera
darle una tabla periódica

por si algún día está en problemas
y necesita calcular un peso molecular".

Pensé que peso molecular
sonaba mucho menos extraño

que masa molecular.

Así que la vio y dijo: "Gracias.
La voy a ver periódicamente".

(Risas)

(Aplausos)

Y después en una presentación
que dio sobre energía limpia,

sacó su tabla y dijo:

"Y hay gente en el MIT que
regala tablas periódicas".

Así que, básicamente,

lo que no les he dicho es que
hace 500 millones de años,

los organismos empezaron
a fabricar materiales,

pero les llevó 50 millones
de años ser buenos en eso.

Les llevó 50 millones de años
aprender a perfeccionar

el proceso de fabricación
de la concha de abulón.

Y eso es algo difícil de venderle
a un estudiante de posgrado.

"Tengo este gran proyecto...
50 millones de años".

Desarrollamos un método para
tratar de hacer esto más rápido.

Usamos un virus, un virus no tóxico
llamado bacteriófago M13

cuyo trabajo es infectar a una bacteria.

Su ADN tiene una estructura simple

y se le puede simplemente cortar y pegar
secuencias adicionales de ADN.

Y esto permite que el virus

exprese secuencias
aleatorias de proteínas.

Y esta es una biotecnología sencilla.

Y es posible hacer esto
mil millones de veces.

Y puedes ir y tener mil millones
de virus diferentes

genéticamente idénticos,

pero diferentes unos de otros
por sus terminaciones

en una secuencia que
codifica una proteína.

Ahora, si tomamos mil millones de virus,

y los ponemos en una gota de líquido,

podemos forzarlos a interactuar con
cualquier cosa en la tabla periódica.

Y, a través del proceso
de selección-evolución,

podemos obtener uno en mil millones que
haga algo que nos gustaría que hiciera,

como fabricar una batería
o una celda solar.

Para que los virus puedan
replicarse necesitan un huésped.

Una vez que encontramos
ese uno en mil millones,

infectamos una bacteria,

y hacemos miles de millones de copias
de esa secuencia en particular.

La otra cosa maravillosa de la biología

es que la biología nos da
exquisitas estructuras

con verdadera armonía.

Estos virus son largos y delgados,

y podemos hacer que expresen la habilidad

de fabricar algo como semiconductores
o materiales para baterías.

Esta es una batería de alta potencia
que fabricamos en mi laboratorio.

Fabricamos un virus que
usaba nanotubos de carbón.

Una parte del virus agarraba
un nanotubo de carbón.

La otra parte del virus
tiene una secuencia

que puede generar material
para el electrodo de una batería.

Y después se conecta a sí mismo
con el colector de corriente.

Y a través del proceso
de selección-evolución,

vamos desde un virus que
fabrica una batería sencilla

hasta un virus que hace una buena batería

y hasta un virus que hace una batería
de alta potencia capaz de romper récords

hecha totalmente a temperatura ambiente,
básicamente en la mesa del laboratorio.

Viajó hasta la Casa Blanca
para una conferencia de prensa.

La traje conmigo.

Pueden ver en este caso, que
mantiene esta lámpara encendida.

Si pudiéramos escalar esto,

podríamos usarlo
para hacer rodar a su auto,

ese es mi sueño, poder manejar
un coche alimentado por virus.

El proceso es básicamente...
que puedas sacar uno de mil millones.

Poder hacer muchas copias del mismo.

Básicamente podríamos hacer
una amplificación en el laboratorio.

Y después hacer que se autoensamble

para dar la estructura de una batería.

Podemos hacer esto con catalizadores.

En este ejemplo de un separador
catalítico de agua.

Y eso es lo que hemos podido hacer,

modificar el virus para que
absorba moléculas de tinta

y ponerlas alineadas
en la superficie del virus

así que actúa como antena.

Y obtenemos una transferencia
de energía a través del virus.

Y luego le damos un segundo gen
para usar un material inorgánico

que pueda usarse para separar
agua en hidrógeno y oxígeno,

que pueda usarse como combustible limpio.

Hoy traje conmigo este ejemplo.

Mis alumnos me prometieron
que funcionaría.

Estos son nanocables
ensamblados por virus.

Cuando los iluminamos,
pueden ver que hay un burbujeo.

En este caso, están observando
salir burbujas de oxígeno.

Pueden verlas fuera y pueden
jugar con esto si les interesa.

Fundamentalmente, mediante
el control de los genes,

podemos controlar múltiples materiales
y mejorar el desempeño de sus equipos.

El último ejemplo son las celdas solares.

Podemos hacer esto con celdas solares.

Hemos diseñado virus que pueden
tomar nanotubos de carbono

y depositar una capa de dióxido
de titanio a su alrededor...

y usarlos para atrapar
a los electrones en el aparato.

Lo que encontramos es que
a través de la ingeniería genética,

podemos, de hecho, aumentar
la eficiencia de estas celdas solares

hasta números récord

para estos tipos de sistemas de celdas.

Traje conmigo también uno de estos

con el que pueden jugar
una vez que termine la sesión.

Esta es una celda solar
generada por virus.

A través de la evolución y la selección,

llevamos la celda desde una eficiencia
del 8 % hasta una eficiencia de 11 %.

Espero haberles convencido

de que hay miles de cosas
interesantes por aprender

sobre cómo la naturaleza
fabrica materiales...

y llevarlo un paso más adelante
para aprender a manejar,

o a aprovechar la manera en la que
la naturaleza fabrica materiales

para crear cosas que la naturaleza
ni siquiera ha soñado.

Gracias.

(Aplausos)