فكرت في أن أتحدث قليلا حول كيف تصنع الطبيعة المواد. أحضرت معي صدفة أذن البحر. صدفة أذن البحر هاته مركب أحيائي بكتلة نسبتها 98 في المئة من كربونات الكالسيوم و2 في المئة من البروتين. ومع ذلك فهي أصلب بـ 3000 مرة من نظيرتها الجيولوجية. والكثير من الناس قد يستخدمون بنيات مثل صدفة أذن البحر، كطبشور. لطالما انبهرت بكيفية تصنيع الطبيعة للمواد، وهناك الكثير من التسلسل لكيفية إنجازها لوظيفة بذلك الإتقان. جزء منها هي أن هاته المواد بنيات ماكروسكوبية، لكنها تشكل على المستوى النانوي. تتشكل على المستوى النانوي، وتستخدم بروتينات مرمزة بالمستوى الجيني تسمح لها ببناء هاته البنيات المتقنة.
I thought I'd talk a little bit about how nature makes materials. I brought along with me an abalone shell. This abalone shell is a biocomposite material that's 98 percent by mass calcium carbonate and two percent by mass protein. Yet, it's 3,000 times tougher than its geological counterpart. And a lot of people might use structures like abalone shells, like chalk. I've been fascinated by how nature makes materials, and there's a lot of secrets to how they do such an exquisite job. Part of it is that these materials are macroscopic in structure, but they're formed at the nano scale. They're formed at the nano scale, and they use proteins that are coded by the genetic level that allow them to build these really exquisite structures.
وهناك أمر أظنه في غاية الروعة هو ما إن أمكن وهب الحياة لبنيات غير حية، كالبطاريات والخلايا الشمسية؟ ماذا لو توفرت على بعض هاته الإمكانيات التي تتوفر عليها صدفة أذن البحر، من حيث القدرة على بناء بنيات متقنة في ضغط ودرجة حرارة الغرفة، باستخدام كيماويات غير سامة وإعادة مواد غير سامة للبيئة؟ وكذلك تلك هي الرؤية التي كنت أفكر فيها. إذن ماذا إن أمكن أن ننتج بطارية في طبق بتري؟ أو، ماذا إن أمكن إعطاء معلومات جينية لبطارية بحيث يمكنها أن تصبح بالفعل أحسن مع مرور الزمن، والقيام بذلك بطريقة غير مؤذية للبيئة؟
So something I think is very fascinating is: What if you could give life to non-living structures, like batteries and like solar cells? What if they had some of the same capabilities that an abalone shell did, in terms of being able to build really exquisite structures at room temperature and room pressure, using nontoxic chemicals and adding no toxic materials back into the environment? So that's kind of the vision that I've been thinking about. And so what if you could grow a battery in a Petri dish? Or what if you could give genetic information to a battery so that it could actually become better as a function of time, and do so in an environmentally friendly way?
وهكذا بالعودة إلى صدفة أذن البحر، عدا كونها ذات بنية نانوية، أمر مذهل هو حين يجتمع ذكر وأنثى أذن البحر ينقلون المعلومات الجينية التي تقول، "هذه هي الطريقة لبناء مواد متقنة. وها هي كيفية القيام بذلك في درجة حرارة وضغط الغرفة، باستخدام مواد غير سامة." نفس الشيء مع الدياتوم، ذي البنية الزجاجوية، والذي يشع هنا. في كل مرة تتكاثر الدياتوم، تعطي معلومات تقول، "هذه كيفية بناء زجاج في المحيط مبني بإتقان على المستوى النانوي. ويمكنك القيام به نفسه، مرارا وتكرارا." وبالتالي ماذا لو أمكن القيام بنفس الشيء مع خلية شمسية أو بطارية؟ يحلو لي أن أقول أن المادة البيولوجية المفضلة عندي هي طفلي ذي الأربع سنوات.
And so, going back to this abalone shell, besides being nanostructured, one thing that's fascinating is, when a male and female abalone get together, they pass on the genetic information that says, "This is how to build an exquisite material. Here's how to do it at room temperature and pressure, using nontoxic materials." Same with diatoms, which are shown right here, which are glasseous structures. Every time the diatoms replicate, they give the genetic information that says, "Here's how to build glass in the ocean that's perfectly nanostructured." And you can do it the same, over and over again." So what if you could do the same thing with a solar cell or a battery? I like to say my favorite biomaterial is my four year old.
لكن أي شخص لديه أو يعرف طفلا صغيرا يعرف أنها كائنات حية بالغة التعقيد. وهكذا إن أردت إقناعهم للقيام بأمر لا يرغبون به، ستجده صعبا. وهكذا حين نفكر في التكنولوجيات المستقبيلة، نفكر أساسا حول استخدام البكتيريات والفيروسات، كائنات حية بسيطة. هي يمكنك إقناعهم بالعمل بصندوق أدوات مختلف، بحيث يستطيعون تشييد بنية تكون مهمة لي؟
But anyone who's ever had or knows small children knows, they're incredibly complex organisms. If you wanted to convince them to do something they don't want to do, it's very difficult. So when we think about future technologies, we actually think of using bacteria and viruses -- simple organisms. Can you convince them to work with a new toolbox, so they can build a structure that will be important to me?
كذلك، نفكر حول التكنولوجيات المستقبلية. نبدأ ببداية الأرض. استغرق الأمر أساسا، مليار سنة لإيجاد حياة على الأرض. وبسرعة كبيرة، أصبحت متعددة الخلايا، استطاعت التكاثر، استطاعت استخدام التركيب الضوئي كطريقة للحصول على مصدرها الطاقي. لكن ذلك لم يحصل إلا قبل حوالي 500 مليون سنة -- خلال حقبة الكمبري الجيولوجية -- لكي تبدأ الكائنات الحية في المحيطات بإنتاج مواد صلبة. قبل ذلك كانت كلها بنيات ناعمة ورقيقة. وخلال تلك الحقبة تزايد الكالسيوم والحديد والسيليكون في البيئة. وتعلمت الكائنات الحية كيف تصنع موادا صلبة. وذلك هو ما أود أن أصبح قادرة على القيام به -- إقناع الأحياء للعمل مع بقية الجدول الدوري.
Also, when we think about future technologies, we start with the beginning of Earth. Basically, it took a billion years to have life on Earth. And very rapidly, they became multi-cellular, they could replicate, they could use photosynthesis as a way of getting their energy source. But it wasn't until about 500 million years ago -- during the Cambrian geologic time period -- that organisms in the ocean started making hard materials. Before that, they were all soft, fluffy structures. It was during this time that there was increased calcium, iron and silicon in the environment, and organisms learned how to make hard materials. So that's what I would like to be able to do, convince biology to work with the rest of the periodic table.
الآن حين تنظرون إلى البيولوجيا، هناك الكثير من البنيات كالحمض النووي ومضادات الأجسام والبروتينات والريبوسومات سمعتم عنها قد تم تركيبها نانويا. وبالتالي الطبيعة تعطينا مسبقا بنيات في غاية الإتقان على المستوى النانوي. ماذا لو أمكننا تسخيرهم وإقناعها ألا تكون مضادة للأجسام تسبب شيئا كفيروس نقص المناعة المكتسبة؟ لكن ماذا لو أمكننا إقناعها أن تبني لنا خلية شمسية؟ وبالتالي هنا بعض الأمثلة: هذه بعض الصدفات الطبيعية.
Now, if you look at biology, there's many structures like DNA, antibodies, proteins and ribosomes you've heard about, that are nanostructured -- nature already gives us really exquisite structures on the nano scale. What if we could harness them and convince them to not be an antibody that does something like HIV? What if we could convince them to build a solar cell for us? Here are some examples.
هناك مواد طبيعية بيولوجية. صدفة أذن البحر هنا -- وإذا كسرناها، يمكننا أن نرى حقيقة أنها مبنية على المستوى النانوي. هناك دايتومات مصنوعة من ثنائي أكسيد السيليكون، وهي باكتيريا موجهة مغناطيسيا تصنع مغناطيسات صغيرة وأحادية الحقل تستخدم في الملاحة. ما يوحد كل هذا هو أن هاته المواد مبنية على المستوى النانوي، ولديها تسلسل حمض نووي يرمز لتسلسل البروتين، والذي يعطيها المخطط الاولي لتكون قادرة على بناء هاته البنيات المدهشة حقا. الآن، بالعودة إلى صدفة أذن البحر، أذن البحر يصنع صدفته بالتوفر على هذه البروتينات. هذه البروتينات مشحونة بشدة سلبيا. ويمكنها أن تأخذ الكالسيوم من المحيط، تضع طبقة من الكالسيوم ثم الكاربونات، الكالسيوم والكاربونات. تتوفر على التسلسل الكيميائي للأحماض الأمينية والذي يقول، "هكذا يمكنك إنشاء هذه البنية. ها هو تسلسل الحمض النووي، ها هو تسلسل البروتين للقيام بذلك." وهكذا فإن فكرة مثيرة للإهتمام، هي ماذا إن أمكننا أخذ أي مادة نريد، أو أي عنصر نريد من الجدول الدوري، ثم إيجاد تسلسل الحمض النووي الموافق له، ثم ترميزه بتسلسل بروتيني موافق لإنشاء بنية، لكن ليس بناء صدفة أذن البحر -- بناء شيء آخر، من خلال الطبيعة، لم تسنح لها الفرصة أبدا للعمل معه من قبل.
Natural shells, natural biological materials. The abalone shell here. If you fracture it, you can look at the fact that it's nanostructured. There's diatoms made out of SiO2, and there are magnetotactic bacteria that make small, single-domain magnets used for navigation. What all these have in common is these materials are structured at the nano scale, and they have a DNA sequence that codes for a protein sequence that gives them the blueprint to be able to build these really wonderful structures. Now, going back to the abalone shell, the abalone makes this shell by having these proteins. These proteins are very negatively charged. They can pull calcium out of the environment, and put down a layer of calcium and then carbonate, calcium and carbonate. It has the chemical sequences of amino acids which says, "This is how to build the structure. Here's the DNA sequence, here's the protein sequence in order to do it." So an interesting idea is, what if you could take any material you wanted, or any element on the periodic table, and find its corresponding DNA sequence, then code it for a corresponding protein sequence to build a structure, but not build an abalone shell -- build something that nature has never had the opportunity to work with yet.
وبالتالي ها هو الجدول الدوري. وأنا أحب قطعا الجدول الدوري. في كل سنة ولحصة الطلاب الجدد القادمين للـ MIT، لدي جدول دوري مطبوع عليه، "مرحبا في MIT. أنت الآن في عنصرك الخاص." وتديره، فتجد الأحماض الأمينية بمستوى PH الذي تتوفر فيه على شحنات مختلفة. وبالتالي أعطي هذا لآلاف الأشخاص. وأعرف أنه مكتوب عليه MIT، وهذه Caltech، لكن لدي بضع جداول إضافية إن أراده الناس. وقد كنت محظوظة بالفعل ليزور الرئيس أوباما مختبري هذه السنة في زيارته لـ MIT، وقد وددت فعلا أن أعطيه جدولا دوريا. وبالتالي سهرت الليلة، وتحدثت مع زوجي، "كيف أعطي الرئيس أوباما جدولا دوريا؟ ماذا لو قال، 'أوه، عندي واحد مسبقا،' أو، 'لقد حفظته'؟" وهكذا جاء لزيارة مختبري ونظر حواليه -- كانت زيارة عظيمة. وثم بعد ذلك، قلت، "سيدي، أريد أن أعطيك جدولا دوريا في حالة كنت في مأزق واحتجت إلى حساب الوزن الجزيئي." وفكرت في أن الوزن الجزيئي قد بدا أقل تعقيدا من الكتلة المولية. وهكذا نظر إليه، وقال، "شكرا. سأنظر إليه بصفة دورية." (ضحك) (تصفيق) ولاحقا في محاضرة ألقاها حول الطاقة النظيفة، سحبه وقال، "والناس في MIT، يمنحون الجداول الدورية."
And so here's the periodic table. I absolutely love the periodic table. Every year for the incoming freshman class at MIT, I have a periodic table made that says, "Welcome to MIT. Now you're in your element." (Laughter) And you flip it over, and it's the amino acids with the pH at which they have different charges. And so I give this out to thousands of people. And I know it says MIT and this is Caltech, but I have a couple extra if people want it. I was really fortunate to have President Obama visit my lab this year on his visit to MIT, and I really wanted to give him a periodic table. So I stayed up at night and talked to my husband, "How do I give President Obama a periodic table? What if he says, 'Oh, I already have one,' or, 'I've already memorized it?'" (Laughter) So he came to visit my lab and looked around -- it was a great visit. And then afterward, I said, "Sir, I want to give you the periodic table, in case you're ever in a bind and need to calculate molecular weight." (Laughter) I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass." (Laughter) And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically." (Laughter) (Applause) Later in a lecture that he gave on clean energy, he pulled it out and said, "And people at MIT, they give out periodic tables." So ...
إذن، ما لم أخبركم هو أنه أساسا قبل حوال 500 مليون سنة، بدأت الكائنات الحية في إنتاج المواد، لكن ذلك استغرقهم حوالي 50 مليون سنة ليبرعوا فيه. استغرقهم حوالي 50 مليون سنة لتعلم كيفية إتقان كيفية إنشاء صدفة أذن البحر. وذلك أمر صعب لطالب دراسات عليا. "عندي مشروع عظيم -- 50 مليون سنة." وهكذا كان علينا تطوير تطوير وسيلة لمحاولة القيام بذلك بشكل أسرع. وهكذا استعملنا فيروسات غير سامة تسمى عاثية M13 والتي مهمتها عدوى البكتيريا. حسنا لديها تسلسل حمض نووي بسيط يمكن أن تقوم بقطع ولصق تسلسل أحماض نووية إضافية إليه. وبالقيام بذلك، يسمح للفيروس بأن يعبر عن تسلسلات بروتينية عشوائية.
So basically what I didn't tell you is that about 500 million years ago, the organisms started making materials, but it took them about 50 million years to get good at it -- 50 million years to learn how to perfect how to make that abalone shell. And that's a hard sell to a graduate student: "I have this great project ... 50 million years ..." So we had to develop a way of trying to do this more rapidly. And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage, whose job is to infect bacteria. Well, it has a simple DNA structure that you can go in and cut and paste additional DNA sequences into it, and by doing that, it allows the virus to express random protein sequences.
وهذه تكنولوجية حيوية في غاية البساطة. ويمكن أساسا القيام بهذا مليار مرة. وهكذا يمكن أن يصير لدينا مليار فيروس مختلف كلها متطابقة جينيا، لكنها تختلف عن بعضها البعض اعتمادا على أطرافها، بتسلسل واحد يرمز لبروتين واحد. الآن إن أخذنا المليار فيروس، وأمكن وضعها في قطرة سائل واحدة، يمكن إرغامها على التفاعل مع أي عنصر نريد من الجدول الدوري. ومن خلال عملية تطور انتقائي، يمكن اختيار واحد من البليون يقوم بما نود إنجازه، مثل إنتاج بطارية أو خلية شمسية.
This is pretty easy biotechnology, and you could basically do this a billion times. So you can have a billion different viruses that are all genetically identical, but they differ from each other based on their tips, on one sequence, that codes for one protein. Now if you take all billion viruses, and put them in one drop of liquid, you can force them to interact with anything you want on the periodic table. And through a process of selection evolution, you can pull one of a billion that does something you'd like it to do,
وبالتالي، الفيروسات أساسا لا يمكنها استنساخ نفسها، تحتاج إلى مضيف. وبمجرد أن تجد ذلك الواحد من المليار، تنقله إلى بكتيريا، وتنتج ملايين وملايير النسخ من ذلك التسلسل بعينه. وبالتالي الأمر الآخر الجميل في البيولوجيا هو أن البيولوجيا تعطي بنيات في غاية الإتقان بجداول ربط أنيقة. وهذه الفيروسات هي طويلة ورقيقة، ويمكن جعلها تعبر عن القدرة على إنتاج أشياء مثل أشباه الموصلات أو مواد للبطاريات.
like grow a battery or a solar cell. Basically, viruses can't replicate themselves; they need a host. Once you find that one out of a billion, you infect it into a bacteria, and make millions and billions of copies of that particular sequence. The other thing that's beautiful about biology is that biology gives you really exquisite structures with nice link scales. These viruses are long and skinny, and we can get them to express the ability to grow something like semiconductors or materials for batteries.
الآن هذه بطارية عالية القدرة أنتجناها في مختبري. صممنا فيروس ليلتقط أنابيب الكربون النانوية. وبالتالي جزء من الفيروس يمسك أنبوب كربون نانوي. الجزء الآخر من الفيروس لديه تسلسل يمكنه أن ينتج مادة كهربائية قطبية لبطارية. ثم يربط نفسه سلكيا بمجمع التيار وهكذا عن طريق تطور الإنتقاء، انتقلنا من التوفر على فيروس صنع بطارية رديئة إلى فيروس صنع بطارية جيدة إلى فيروس صنع بطارية قياسية ذات قدرة عالية كل هذا تم في درجة حرارة الغرفة، على مقاعد المختبر أساسا. وتلك البطارية قد ذهبت إلى البيت الأبيض من أجل مؤتمر صحفي. أحضرتها معي هنا. يمكنكم رؤيتها في هذا الصندوق -- ذاك يضيئ هذا الصمام المشع. الآن إن أمكننا قياس هذا، يمكننا فعلا استخدامه لتشغيل سيارة بريوس، والذي هو حلمي -- أن أكون قادرة على قيادة سيارة تعمل بقوة الفيروسات.
Now, this is a high-powered battery that we grew in my lab. We engineered a virus to pick up carbon nanotubes. One part of the virus grabs a carbon nanotube, the other part of the virus has a sequence that can grow an electrode material for a battery, and then it wires itself to the current collector. And so through a process of selection evolution, we went from being able to have a virus that made a crummy battery to a virus that made a good battery to a virus that made a record-breaking, high-powered battery that's all made at room temperature, basically at the benchtop. That battery went to the White House for a press conference, and I brought it here. You can see it in this case that's lighting this LED. Now if we could scale this, you could actually use it to run your Prius, which is kind of my dream -- to be able to drive a virus-powered car.
لكنه أساسا -- يمكن أخذ واحد من المليار يمكن إجراء الكثير من التضخيم عليه. وأساسا، يمكن إجراء تضخيم في المختبر. وثم نجعلها تتجمع ذاتيا في بنية تشبه البطارية. نحن قادرون على القيام بذلك مع المحفزات. ها هو مثال لمحفزات ضوئية مقسمة بالماء. وما استطعنا القيام به هو تصميم فيروس ليقوم أساسا بأخذ الجزيئات التي تمتص الصباغ وتصفيفهم على واجهة الفيروس ليعمل كهوائي، وتحصلون على انتقال طاقي على طول الفيروس. ثم نضيف جينة ثانية لإنتاج مواد غير عضوية يمكن استخدامها لتفكيك الماء إلى أوكسيجين وهيدروجين، والتي يمكن استخدامها في الوقود النظيف. وقد أحضرت معي اليوم مثالا. وعدني طلبتي بأنه سيشتغل. هذه أسلاك نانوية مجمعة عن طريق الفيروسات. حين تسلط عليها الضوء، يمكن أن تراها تزبد. في هذه الحالة، ترون الأوكسجين يتدفق. وعن طريق التحكم في الجينات أساسا، يمكن التحكم في مواد متعددة لتحسين أداء الجهاز.
(Laughter) But basically you can pull one out of a billion, and make lots of amplifications to it. Basically, you make an amplification in the lab, and then you get it to self-assemble into a structure like a battery. We're able to do this also with catalysis. This is the example of a photocatalytic splitting of water. And what we've been able to do is engineer a virus to basically take dye-absorbing molecules and line them up on the surface of the virus so it acts as an antenna, and you get an energy transfer across the virus. And then we give it a second gene to grow an inorganic material that can be used to split water into oxygen and hydrogen, that can be used for clean fuels. I brought an example of that with me today. My students promised me it would work. These are virus-assembled nanowires. When you shine light on them, you can see them bubbling. In this case, you're seeing oxygen bubbles come out. (Applause) Basically, by controlling the genes,
آخر مثال هو الخلايا الشمسية. يمكن القيام بهذا كذلك مع الخلايا الشمسية. قد استطعنا تصميم فيروسات لالتقاط أنابيب كربونية نانوية ثم إنتاج ديوكسيد التيتانيوم حولها -- واستخدامه كوسيلة للحصول على إلكترونات حول الجهاز. وما وجدناه هو أنه، عن طريق الهندسة الوراثية، يمكن بالفعل زيادة فاعلية هذه الخلايا الشمسية لتسجيل أرقام لهذه الأنواع من أنظمة خلايا غريتسل. وقد أحضرت معي واحدة منها كذلك يمكن أن تلعبوا بها في الخارج فيما بعد. إذن هذه خلية شمسية مرتكزة على الفيروسات. عن طريق التطور والإنتقاء، أخذناها من خلايا شمسية بكفاءة 8 في المئة إلى خلايا شمسية بكفاءة 11 في المئة.
you can control multiple materials to improve your device performance. The last example are solar cells. You can also do this with solar cells. We've been able to engineer viruses to pick up carbon nanotubes and then grow titanium dioxide around them, and use it as a way of getting electrons through the device. And what we've found is through genetic engineering, we can actually increase the efficiencies of these solar cells to record numbers for these types of dye-sensitized systems. And I brought one of those as well, that you can play around with outside afterward. So this is a virus-based solar cell. Through evolution and selection, we took it from an eight percent efficiency solar cell to an 11 percent efficiency solar cell.
إذن أتمنى أن أكون قد أقنعتكم أن هناك الكثير من الأمور العظيمة والمثيرة للإهتمام يمكن تعلمها حول كيف تصنع الطبيعة المواد -- والإنتقال بذلك إلى الخطوة الموالية للتحقق من إمكانية إرغام، أو إستغلال كيفية إنتاج الطبيعة للمواد، لإنتاج مواد لم تحلم الطبيعة بإنشاءها بعد.
So I hope that I've convinced you that there's a lot of great, interesting things to be learned about how nature makes materials, and about taking it the next step, to see if you can force or take advantage of how nature makes materials, to make things that nature hasn't yet dreamed of making.
شكرا لكم.
Thank you.