Jeg tænkte at jeg vil tale en lille smule om hvordan naturen laver materialer. Jeg tog en abaloneskal med mig. Denne abaloneskal er et biokomposit materiale hvor massen er 98 procent kalciumkarbonat og to procent af massen er protein. Ja, det er 3.000 gange mere hårdfør end sit geologiske modstykke. Og mange mennesker bruger måske strukturer som abaloneskaller, ligesom kridt. Jeg er blevet fascineret af hvordan naturen laver materialer, og der har meget at gøre med rækkefølge måden hvorpå de laver sådan et elegant stykke arbejde. En del af dette er at disse materialer har en makroskopisk struktur, men de bliver formet på nano målestoksforhold. De bliver formet på nano målestoksforhold, og de bruger proteiner der er kodet af det genetiske niveau der tillader dem at bygge disse virkelig elegante strukturer.
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.
Så noget som jeg synes er meget fascinerende er hvis man kunne bringe liv til ikke levende strukturer, ligesom batterier og ligesom solceller? Hvad hvis de havde nogle af de samme evner som en abaloneskal havde, med hensyn til at være i stand til at bygge virkelig elegante strukturer ved stuetemperatur og stue trykniveau, ved at bruge ikke giftige kemikalier og tillægger ikke giftige materialer tilbage til miljøet? Så det er den vision jeg har tænkt på. Så hvad hvis man kunne dyrke et batteri i en petriskål? Eller, hvad hvis man kunne give genetisk information til et batteri så det faktisk kunne blive bedre med tiden, og gøre det på en miljøvenlig måde?
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?
Så, når man går tilbage til abaloneskallen, ud over at være nanostruktureret, en ting der er fascinerende, er når en mandlig og en kvindelig abalone finder sammen, giver de genetisk information videre der siger, "Dette er hvordan man bygger et elegant materiale. Her er hvordan man gør det ved stuetemperatur og trykniveau, ved hjælp af ikke giftige materialer." Det samme med kiselalger, der er vist her til højre, der er glasagtige strukturer. Hver gang kiselalgerne formerer sig, giver de genetisk information der fortæller, "Sådan bygger man glas i havet der er perfekt nanostruktureret. Og man kan lave det ens, igen og igen." Så hvad hvis man kunne gøre det samme med en solcelle eller et batteri? Jeg kan godt lide at sige at mit yndlings biomateriale er min fire-årige.
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.
Men alle der nogensinde har haft, eller kender, små børn ved at de er utrolig komplicerede organismer. Så hvis man ville overbevise dem om at gøre noget de ikke vil gøre, er det meget vanskeligt. Så når vi tænker på fremtidige teknologier, vi tænker faktisk på at bruge bakterier og virusser, simple organismer. Kan man overbevise dem om at arbejde med en ny værktøjskasse, så de kan bygge en struktur der vil være vigtig for mig?
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?
Ligeledes, når vi tænker på fremtidige teknologier, begynder vi med begyndelsen på Jorden. Dybest set, tog det en milliard år før der var liv på Jorden. Og meget hurtigt, blev det multicellulær liv, som de kunne reproducere, de kunne bruge fotosyntese som deres energikilde. Men det var ikke indtil for 500 millioner år siden -- i den cambriske geologiske tids periode -- at organismerne i havet begyndte at lave hårde materialer. Før det, var de alle bløde, dunagtige strukturer. Og det var i denne periode at der var forhøjet kalcium og jern og silikone i miljøet, og organismerne lærte hvordan man laver hårde materialer. Så det er det jeg gerne ville være i stand til at gøre -- overbevise biologi om at arbejde sammen med resten af det periodiske system.
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.
Hvis man kigger på biologi, er der mange strukturer som DNA og antistoffer og proteiner og ribosomer som man har hørt om som allerede er nanostruktureret. Så naturen giver os allerede virkelig elegante strukturer på nanoniveau. Hvad ville der sker hvis vi kunne udnytte dem og overbevise dem om ikke at være et antistof der gør noget ligesom HIV? Men hvis vi kunne overbevise dem om at bygge en solcelle for os? Så her er der nogle eksempler: dette er nogle naturlige skaller.
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.
Det er naturlige biologiske materialer. Abaloneskallen her -- og hvis man brækker det, kan man se på det faktum at det er nanostruktureret. Der er diatomer lavet af SIO2, det er magnetotaktiske bakterier der laver små, enkelt område magneter der bruges til navigation. Det som alle disse har tilfælles er at disse materialer er struktureret på nanoniveau, og de har en DNA sekvens der koder en bestemt proteinsekvens der giver dem grundtegningen til at være i stand til at bygge disse virkelig vidunderlige strukturer. Går vi tilbage til abaloneskallen, laver abalonen denne skal ved at have disse proteiner. Disse proteiner er meget negativt ladede. Og de kan trække kalcium ud af miljøet, lægge et lag kalcium og så karbonat, kalcium og karbonat. Den har den kemiske sekvens af aminosyrer, der siger, "Dette er hvordan man bygger strukturen. Her er DNA sekvensen, her er proteinsekvensen til at kunne gøre det." Så en interessant ide er, hvad hvis man kunne tage et hvilket som helst materiale man ville, eller hvilket som helst element i det periodiske system, og finder dens tilsvarende DNA sekvens, og så koder den til en tilsvarende proteinsekvens for at bygge en struktur, men ikke bygger en abaloneskal -- men bygger noget der, gennem naturen, har den aldrig fået muligheden til at arbejde endnu.
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.
Så her er det periodiske system. Og jeg elsker absolut det periodiske system. Hvert år ved den tiltrædende førsteårselev klasse ved MIT, har jeg lavet en periodisk tabel der siger, "Velkommen til MIT. Du er nu i dit rette element." Og man vender den om, og det er aminosyrer med PH værdien hvor de har forskellige ladninger. Så jeg giver dette til tusindevis af mennesker. Og jeg ved der står MIT, og dette er Caltech, men jeg har et par ekstra hvis folk vil have dem. Og det var virkelig heldigt at have President Obama på besøg i mit laboratorium sidste år på hans visit til MIT, og jeg ville virkelig gerne give ham det periodiske system. Så jeg blev oppe om natten, og jeg talte med min mand, "Hvordan giver jeg President Obama det periodiske system? Hvad hvis han siger, 'Åh, den har jeg allerede.' eller, 'Jeg har allerede lært den udenad'?" (Latter) Så han kom og besøgte mit laboratorium og kiggede omkring -- det var et storartet besøg. Og bagefter, sagde jeg, "Sir, jeg vil give dig det periodiske system for det tilfælde at du kommer i knibe og har brug for at beregne molekylevægt." Og jeg troede molekylær vægt lød meget mindre nørdet end molær masse. Så han kiggede på den, og han sagde, "Tak. Jeg vil kigge på det periodisk." (Latter) (Bifald) Og senere i en forelæsning som han gav om ren energi fandt han det frem og sagde, "Og folkene ved MIT, de gav mig dette periodiske system."
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 ...
Så det jeg dybest set ikke fortalte jer er at for cirka 500 millioner år siden, begyndte organismer at lave materialer, men det tog dem cirka 50 millioner år at blive gode til det. Det tog dem cirka 50 millioner år at lære hvordan man perfektionerer det at lave abaloneskaller. Og det er hårdt at sælge til kandidatstuderende. (Latter) "Jeg har dette imponerende projekt -- 50 millioner år." Så vi skulle udvikle en måde til at prøve at gøre dette hurtigere. Så vi bruger en virus der er en ikke giftig virus der hedder M13 bakteriofag hvis job er at inficere bakterie. Jamen den har en simpel DNA struktur som man kan gå ind og klippe og klistre yderligere DNA sekvenser i. Og ved at gøre det, tillader det viruset at udtrykke tilfældige protein sekvenser.
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.
Og dette er ret nem bioteknologi. Og man kunne dybest set gøre dette en milliard gange. Så man kan gå ind og have en milliard forskellige virusser der alle er genetisk identiske, men de er forskellige fra hinanden baseret på deres spids, på en sekvens der koder et protein. Hvis man nu tager alle en milliard virusser, og man kan putte dem i en dråbe væske, kan man tvinge dem til at interagere med hvad som helst man vil i det periodiske system. Og gennem en evolutionær udvælgelsesproces, kan man vælge en ud af en milliard der gør noget man vil have det til, som at dyrke et batteri eller en solcelle.
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,
Så i bund og grund, kan virusser ikke reproducere; de har brug for en vært. Når man finder den ene ud af milliarden, inficerer man den ind i en bakterie, og man laver millioner af millioner af kopier af den bestemte sekvens. Så den anden ting der er smuk ved biologi, er at biologi giver os virkelig elegante strukturer med flotte sammenkædede niveauer. Og disse virusser er lange og tynde, og vi kan få dem til at udtrykke evnen til at dyrke noget som halvledere eller materialer til batterier.
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.
Nu er dette et kraftigt batteri vi dyrkede i mit laboratorium. Vi designede et virus til at samle kulstof nanorør. Så en del af virussen snupper et kulstof nanorør. Den anden del af virussen har en sekvens der kan dyrke et elektrode materiale til et batteri. Og så tilslutter den sig selv til den nuværende samler. Så gennem en evolutionær udvælgelsesproces, gik vi fra at være i stand til at have en virus der lavede usselt batteri til en virus der lavede et godt batteri til en virus der lavede kraftige batterier der slog tidlige rekorder, der alt sammen bliver lavet ved stuetemperatur, dybest set på brugsstedet. Og det batteri var med ved det Hvide Hus til en pressekonference. Jeg tog det med her. Man kan se den i denne kasse -- den giver lys til denne LED. Hvis man nu kunne lave det i et andet størrelsesforhold, kunne man faktisk bruge det til at drive ens Prius, hvilket er min drøm -- at være i stand til at køre en virus drevet bil.
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.
Men det er i bund og grund -- man kan vælge en ud af milliard. Man kan lave mange suppleringer til det. Dybest set, kunne man lave en supplering i laboratoriet, og så kunne man få det til at samle sig selv til en struktur ligesom et batteri. Vi er i stand til også at gøre dette med katalyse. Dette er eksemplet på fotokatalytisk deling af vand. Og det vi har været i stand til at gøre er at designe et virus til dybest set at tage farvestof absorberende molekyler og sætte dem på linje på virussets overflade så det virker som en antenne, og man kan få en energi overførsel hen over virusset. Og så giver vi det et andet gen til at dyrke et uorganisk materiale der kan bruges til at dele vand til oxygen og hydrogen der kan bruges til ren brændstof. Og jeg har taget et eksempel med mig i dag. Mine studerende lovede mig at det ville virke. Der er virus samlede nanotråde. Når man skinner lys på dem, kan man se at de bobler. I dette tilfælde, ser man oxygen boblerne komme ud. Og dybest set, ved at kontrollere generne, kan man kontrollere adskillige materialer til at forbedre ens apparats præstation.
(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,
Det sidste eksempel er solceller. Man kan også gøre dette med solceller. Vi har været i stand til at designe virusser til at samle kulfiber nanorørene og så dyrke titaniumdioxid omkring dem -- og bruge som en måde til at få elektronerne gennem apparatet. Og det vi har fundet ud af gennem genetisk design, er at vi faktisk kan forhøje effektiviteten af disse solceller til rekordhøje tal for denne type farvestof følsomme systemer. Og jeg medbragte en af dem også som man kan lege rundt med udenfor bagefter. Dette er en virusbaseret solcelle. Gennem evolution og udvælgelse, vi det fra en otte procent effektiv solcelle til en 11 procent effektiv solcelle.
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.
Så jeg håber at jeg overbeviste jer om at der er mange gode, interessante ting at lære om hvordan naturen laver materialer -- og tage det næste skridt for at se om man kan påvirke, eller om man kan udnytte hvordan naturen laver materialer, til at lave ting som naturen endnu ikke har drømmet om at lave.
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.
Tak.
Thank you.