Мислех, че може да поговоря малко за това как природата прави материали. Донесох със себе си черупката на един морски охлюв. Черупката на този охлюв е биокомпозитен материал, който е 98% калциев карбонат и два процента протеин. И въпреки това е 3000 пъти по-здрав, отколкото неговия геоложки аналог. И много хора използват структури подобни на черупки на морски охлюви, като тебешира. Очарована съм от начина, по който природата прави материали, и има много тайни, за това как те правят такава изискана работа. Част от това е, че тези материали са видими с просто око по структура, но те са формирани в наномащаб. Те се образуват в наномащаб, и използват протеини, които са кодирани на генетично ниво, които им позволяват да изградят тези наистина изящни структури.
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.
Така че нещо, което е много очарователно, мисля, е какво би станало ако може да се даде живот на неживи структури, като батерии и слънчеви батерии? Какво може да стане, ако те имаха някои от възможностите, които черупките на морските охлюви имаха, от гледна точка на възможността да изграждат наистина изискани структури при стайна температура и налягане, използвайки нетоксични химични вещества и без да добавят никакви токсични материали обратно в околната среда? Така че това е визията, за която си мислех. И така, какво може да стане, ако се отгледа батерия в петриева паничка? Или, ако може да се даде генетична информация на батерия, така че да може всъщност да стане по-добра с течение на времето, и да прави това по екологично съобразен начин?
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?
И така, връщайки се към черупката на морския охлюв, освен че е нано-структурирана, нещо, което е очарователно, е когато мъжки и женски охлюви се съберат заедно, и препредават генетичната информация, което казва: "Това е начина за изграждането на изискан материал. Ето как се прави това при стайна температура и налягане, използвайки нетоксични материали." Същото е и с диатомите, които са осветени тук, които са стъкловидни структури. Всеки път, когато диатомите се възпроизвеждат, те предават генетична информация, която казва: "Ето как да се изгради стъкло в океана, което е напълно наноструктурирано. И можете да го правите по същия начин, отново и отново." И така, какво би станало ако можехте да направите същото нещо със слънчева батерия или батерия? Ще ми се да кажа, че любимия ми биоматериал е моето четиригодишно дете.
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.
Но всеки, който някога е имал, или познава, малки деца, знае, че те са невероятно сложни организми. Така че, ако искате да ги убедите да направят нещо, което не искат да правят, това е много трудно. Така че, когато си мислим за бъдещите технологии, всъщност смятаме да използваме бактерии и вируси, прости организми. Можете ли да ги убедите да работят с нов набор от инструменти, така че да могат да изградят структура, която ще бъде важна за мен?
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?
Също така, ние си мислим за бъдещите технологии. Започваме с началото на Земята. Общо-взето, били необходими един милиард години, за да се появят живи организми на Земята. И много бързо, те станали многоклетъчни, можели да се възпроизвеждат, можели да използват фотосинтеза, като източник на тяхната енергия. Но това не се случило до около преди 500 милиона години -- по време на камбрийския геоложки период от време -- когато организмите в океана започнали да правят твърди материали. Преди това всички те били меки, пухкави структури. И по това време е имало увеличено количество калций и желязо, и силиций в околната среда. И организмите се научили как да правят твърди материали. И така, това е, което бих искала да мога да направя -- да убедя биологията да заработи с останалата част от менделеевата таблица.
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.
Сега, ако се вгледате в биологията, има много структури като ДНК и антитела, и протеини и рибозоми, за които сте чували, които са вече наноструктурирани. Така че природата ни дава наистина изискани структури от наномащаб. Какво ще стане, ако можем да ги впрегнем и да ги убедим да не бъдат антитела, които причиняват нещо като ХИВ? Но какво ще стане, ако можем да ги убедим да изградят слънчеви батерии за нас? Ето някои примери: това са някакви естествени черупки.
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.
Това са естествени биологични материали. Черупката на охлюва тук -- и ако я счупите, можете да видите факта, че е нано-структурирана. Има диатомеи, направени от SiO2, и има магнетотактични бактерии, които образуват малки, еднополюсни магнити, използвани за навигация. Това, което е общо за всички тези неща е, че тези материали са структурирани в наномащаб, и те имат ДНК структура, която кодира за протеинова последователност, която им дава плана, който им позволява да изградят тези наистина прекрасни структури. Сега, връщайки се към черупката на морския охлюв, той образува черупката си от тези протеини. Тези протеини са много отрицателно заредени. И те могат да извличат калций от околната среда, да натрупат слой от калций и след това карбонат, калций и карбонат. Има химическата последователност на аминокиселините, която казва: "Ето как да се изгради структурата. Ето я ДНК последователността, ето я протеиновата последователност, за да се направи." И така, една интересна идея е, какво ще стане, ако можем да вземем всякъв материал, който си поискаме, или всеки елемент от периодичната таблица, и намерим съответната последователност на ДНК, и после я кодираме за съответната протеинова последователност, за да изградим структура, но не да изградим черупка на охлюв -- да построим нещо, което в природата, никога не е имало възможността да проработи все още.
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.
И така, ето я периодичната таблица. И аз безспорно обожавам периодичната таблица. Всяка година за постъпващите първокурсници в Масачузетския технологичен институт (MIT) имам направена периодична таблица, която казва: "Добре дошли в MIT. Сега сте в своя елемент." И ако я обърнете, на гърба са аминокиселините, с PH стойностите, при които имат различен заряд. И така, аз раздавам тези таблици на хиляди души. И знам, че пише MIT, a това е Калифорнийския технологичен институт, но имам няколко излишни, ако хората искат. И бях наистина щастлива да приема президента Обама на визита в моята лаборатория през тази година, по време на посещението му в MIТ, и аз много исках да му дам периодичната таблица. Така че останах късно през нощта, и обсъждах със съпруга си: "Как да подаря на президента Обама периодичната таблица? Какво ще стане, ако той каже: "О, аз вече я имам," или: "Вече съм я запомнил?" И така, той дойде на посещение в моята лаборатория, и разгледа наоколо -- беше страхотна визита. И тогава по-късно, аз казах: "Сър, искам да ви подаря периодичната таблица, в случай, че някога сте в затруднение и трябва да изчислите молекулното тегло." И аз си мислех, че молекулно тегло звучи много по-малко странно, отколкото моларна маса. Той я погледна и каза: "Благодаря ви. Ще гледам в нея периодично." (Смях) (Ръкопляскане) И по-късно в лекция, която изнесе за чистата енергия, той я извади и каза: "А хората в MIT, те раздават периодични таблици."
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 ...
Така че в основни линии, това, което не ви казах бе, че преди около 500 милиона години, организмите започнали да правят материали, но им били необходими около 50 милиона години, за да станат добри в това. Необходими са им били около 50 милиона години, за да се научат как да усъвършенстват как се прави черупката на морския охлюв. И това е трудно за рекламиране сред студентите. "Имам този страхотен проект -- 50 милиона години." Така че трябва да разработим начин, да се опитаме да правим това по-бързо. И така, ние използваме вирус, който е нетоксичен вирус, наречен М13 бактериофаг, чиято задача е да заразява бактерии. Той има проста структура на ДНК, от която можете да изрязвате и добавяте допълнителни ДНК последователности. И правейки това, се позволява на вируса да изразява случайни последователности от протеини.
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.
И това е доста лесна биотехнология. Човек може да прави това буквално милиарди пъти. И така, ние можем да се сдобием с един милиард различни вируси, които са всички генетично идентични, но те се различават един от друг по техните върхове, по една последователност, която кодира за един протеин. Сега, ако вземете всички милиард вируси, и ги поставите в една капка течност, можете да ги принудите да си взаимодействат с всичко, което искате от периодичната таблица. И чрез процеса на селективна еволюция, можете да изолирате един на един милиард, който да прави нещо, което искате да прави, като да прави батерия или да прави слънчева батерия.
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,
В основни линии, вируси не могат да се самовъзпроизвеждат, те се нуждаят от гостоприемник. Веднъж след като откриете този един на един милиард, го инфектирате в бактерия, и правите милиони и милиарди копия на тази определена последователност. Другото нещо, което е прекрасно в биологията е, че тя ви дава наистина изискани структури, с хубави мащабни връзки. И тези вируси са дълги и оскъдни, и ние можем да ги накараме да изразяват способността да правят неща като полупроводници, или материали за батерии.
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.
Това е батерия с висока мощност, която отгледахме в моята лаборатория. Ние направихме вирус, който улавя въглеродни нанотръби. Така че една част от вируса улавя въглеродни нанотръби. Другата част на вируса има последователност, която може да отглежда електроден материал за батерия. И после се свързва сам към колектора на тока. И така, чрез процес на селективна еволюция, ние започнахме от вирус, който прави кофти батерия, до вирус, който прави добра батерия, до такъв, който прави разбиваща рекорди, високомощна батерия, направена при стайна температура, върху лабораторен плот. И тази батерия отиде в Белия дом за пресконференция. Аз я донесох тук. Можете да я видите тук, осветява този светодиод. Ако можем да направим това в мащаб, ще можете всъщност да я използвате, за да задвижвате вашия Prius, което е моята мечта -- да можем да караме автомобил, задвижван от вирус.
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.
Но в основни линии -- можем да извадим един на един милиард. Можете да направите много допълнения към него. По принцип, можем да го усилим в лабораторията. И след това да го накараме да се самосглоби в структура като батерия. Можем да правим това и с катализата. Това е пример за фотокаталитично разделяне на водата. И това, което успяхме да направим, беше да разработим вирус, който да усвоява молекули, абсорбиращи багрилни вещества, и да ги подреди на повърхността на вируса, така че да действа като антена, и се получава енергиен трансфер по целия вирус. И после му дадохме втори ген, за да отглежда неорганичен материал, който може да се използва за разделяне на водата на кислород и водород, които могат да бъдат използвани за чисти горива. И аз донесох един пример с мен днес. Моите студенти ми обещаха, че ще проработи. Това са наножици, направени от вируси. Когато ги осветите, можете да ги видите да бълбукат. В този случай, виждате кислородни мехурчета, които излизат. И чрез контролиране на гените, можете да контролирате различните материали, за да подобрите производителността на устройството.
(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,
Последният пример са слънчеви батерии. Можете да правите това и със слънчеви батерии. Успяхме да направим вируси, които да уловят въглеродните нанотръби и да натрупат титанов диоксид около тях -- и да го използват като начин за получаване на електрони към устройството. И това, което открихме е, че чрез генното инженерство, всъщност можем да увеличим ефективността на тези слънчеви батерии, до рекордни стойности за този тип чувствителни към багрилни вещества системи. И аз ви донесох една от тези батерии, с която можете да си поиграете навън по-късно. Така че това е слънчева батерия, базирана на вирус. Чрез развитие и подбор, ние я подобрихме от осем процента ефективна слънчева батерия, до 11% ефективна слънчева батерия.
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.
Така че се надявам, че ви убедих, че има много страхотни, интересни неща, които могат да се научат, за това как природата прави материалите -- и да отведем това на следващо ниво, за да видим дали можем да насилим, или дали можем да се възползваме от това как природата прави материалите, за да направим неща, които природата все още не си е мечтала да направи.
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.
Благодаря ви.
Thank you.