Korišćenje prirode za uzgoj baterija | Anđela Belčer | TEDxCaltech

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. Pokazuje nam kako se to radi.

Uzbuđena sam što sam ovde,
da proslavim ovaj poseban događaj.

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.

Fascinirana sam 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 ispuštajućin 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

još 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".

Isto je i sa silikatnim algama,
staklaste strukture, prikazanim 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 ima 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 izvora energije.

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, o čemu
smo čuli ranije u zanimljivom govoru.

Ali šta ako bismo mogli da ih ubedimo

da za nas izgrade solarnu ćeliju?

Evo nekih primera: ovo su neki
od prirodnih bioloških materijala.

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 iz
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 priroda
nije imala prilike da radi.

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.

Cele noći sam pričala s 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.

(Smeh)

On ga je pogledao i rekao:

"Hvala Vam. Pogledaću ga periodično".

(Smeh)

(Aplauz)

Kasnije ga je, u predavanju
koje 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 trebalo oko 50 miliona
godina da bi postali dobri u tome.

I trebalo im je 50 miliona godina

da bi usavršili stvaranje
te abalon školjke.

Studente je teško ubediti u ovo.

"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 ovo
recipročno da uvećamo,

mogli biste da je koristite

za pokretanje vašeg Prijusa,

što je moj san - da vozimo
automobile pokrenute virusima.

(Smeh)

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,

i 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.

Izneću ih napolje, da možete
da se poigrate kasnije, ako želite.

(Aplauz)

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.

Otkrili smo da kroz genetski inženjering,

zapravo možemo povećati

učinak ovih solarnih ćelija

do rekordnih brojeva

za ove tipove sistema osetljivih na boje,

koji su bazirani na vodi.

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 tome kako priroda pravi materijale -

i dovođenja proizvodnje na sledeći nivo

da bismo videli da li možete da prisilite

ili da iskoristite prednost načina
na koji priroda to radi,

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

Hvala vam.

(Aplauz)