Ich dachte, ich erzähle ein wenig davon, wie die Natur Stoffe schafft. Hier habe ich eine Abalone-Muschel. Diese Abalone-Muschel ist ein Biokomposit, das zu 98 Massenprozent aus Calziumkarbonat besteht und zwei Massenprozent Eiweiß. Dennoch ist es 3000 Mal so hart wie sein geologisches Gegenstück. Und viele Menschen nutzen wohl Strukturen wie die Abalone-Muschel, wie zum Beispiel Tafelkreide. Mich fasziniert schon lang, wie die Natur Stoffe hervorbringt, und es kommt eine Menge zusammen, dass sie darin so hervorragend ist. Ein Teil ist, dass diese Materialien eine makroskopische Struktur haben, jedoch auf der Nanoebene gebildet werden. Sie werden auf der Nanoebene gebildet, und sie nutzen Proteine, die auf genetischer Ebene kodiert sind und ihnen erlauben, diese wirklich vorzüglichen Strukturen hervorzubringen.
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.
Daher bin ich manchmal fasziniert von der Idee diesen unbelebten Strukturen Leben einzuhauchen, wie Batterien und Solarzellen. Was, wenn sie einige der Fähigkeiten der Abalone-Muschel hätten, also in der Lage wären, diese vorzüglichen Strukturen zu schaffen, bei Raumtemperatur und -druck, ohne giftige Chemikalien und ohne Umweltvergiftung? Das ist also die Vision, die ich seit langem habe. Und was, wenn man eine Batterie in einer Petrischale züchten könnte? Oder man einer Batterie genetische Information geben könnte, so dass sie tatsächlich mit der Zeit besser wird, und das auf umweltfreundliche Art?
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?
Und wenn wir nun zur Abalone-Muschel zurückkehren, abgesehen von ihrer Nanostruktur begeistert eine Sache: wenn eine männliche und eine weibliche Abalone zusammen kommen, geben sie genetische Information weiter, die sagt: "So baut man ein vorzügliches Material. So macht man es bei Raumtemperatur und -druck, ohne giftige Stoffe." Genauso bei Kieselalgen, gläsernen Strukturen, die man hier sieht. Jedes Mal, wenn die Kieselalgen sich vermehren, geben sie genetische Information weiter, die sagt: "So wird Glas im Meer gemacht, das eine perfekte Nanostruktur hat. Und das kann man beliebig wiederholen." Was wäre, wenn man dassselbe mit einer Solarzelle oder Batterie machen könnte? Mein liebstes Biomaterial ist ja mein Vierjähriger.
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.
Aber jeder der mal eins hatte, oder kleine Kinder kennt weiß, dass sie unglaublich komplexe Organismen sind. Wenn man sie also überzeugen wollte, etwas zu tun, das sie nicht wollen, ist das sehr schwierig. Wenn wir über zukünftige Technologien nachdenken, denken wir daher eher an den Gebrauch von Bakterien und Viren, einfachen Organismen. Kann man sie dafür gewinnen, mit einem neuen Werkzeugsatz zu arbeiten, damit sie Strukturen hervorbringen, die für mich bedeutsam sind?
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?
Daneben denken wir an zukünftige Technologien. Wir beginnen beim Anfang der Welt. Im Grunde brauchte es eine Milliarde Jahre, bis auf der Erde Leben enstand. Und sehr schnell wurde es vielzellig, die Zellen konnten sich teilen, sie konnten Photosynthese zur Energiegewinnung einsetzen. Aber erst vor etwa 500 Millionen Jahren – während der Kambrischen Ära – begannen Meeresorganismen, harte Stoffe zu bilden. Davor gab es nur weiche, flockige Strukturen. Und während dieser Zeit gab es vermehrt Kalzium, Eisen und Silikon in der Lebenswelt. Da lernten die Organismen, harte Stoffe zu bilden. Das würde ich also gern können – die Biologie dazu bringen, mit dem übrigen Teil des Periodensystems zu arbeiten.
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.
Wenn man nun die Biologie betrachtet, gibt es viele Strukturen wie DNS und Antikörper und Proteine und Ribosomen von denen man gehört hat, dass sie bereits nanostrukturiert sind. Die Natur zeigt uns also bereits wirklich bemerkenswerte Strukturen im Nanomaßstab. Was, wenn wir sie einspannen könnten, und überzeugen, kein Antikörper zu sein, der etwas wie HIV hervorbringt? Was aber, wenn wir sie dazu bringen könnten, eine Solarzelle für uns zu bauen? Hier nun einige Beispiele: dies sind einige natürliche Muscheln.
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.
Es gibt natürliche biologische Materialien. Die Abalone-Muschel hier – und wenn man sie bricht, kann man feststellen, das sie eine Nanostruktur hat. Diese Diatome sind aus Siliziumdioxid, und sie sind magnetotaktische Bakterien, die kleine einpolige Magneten zur Navigation ausbilden. Sie alle haben gemeinsam, dass diese Materialen im Nanomaßstab strukturiert sind, und sie haben eine DNS-Sequenz, die eine Proteinsequenz beschreibt, die ihnen Vorlage ist, damit sie diese wunderbaren Strukturen bilden können. Nun, kommen wir zurück zur Abalone-Muschel: die Abalone produziert diese Muschel, weil sie diese Proteine hat. Diese Proteine sind stark negativ geladen. Und sie können Kalzium aus der Umgebung anziehen, und eine Schicht aus Kalzium und dann Karbonat bilden, Kalzium und Karbonat. Sie hat die chemischen Strukturen von Aminosäuren die sagen: "So wird diese Struktur gemacht. Hier ist die DNS-Sequenz, hier die Proteinsequenz, damit es klappt." Der interessante Aspekt ist, was man tun könnte, wenn man jedes beliebige Material oder jedes Element der Periodentafel nehmen könnte, und die korrespondierende DNS-Sequenz finden, diese dann für die entsprechende Proteinsequenz programmierte, damit eine Struktur einstünde, aber keine Abalone-Muschel – etwas zu bauen, auf natürlichen Weg, für das es vorher keine Gelegenheit hatte.
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.
Hier nun die Periodentafel. Und ich liebe die Periodentafel sehr. Jedes Jahr wenn die Neulinge ans MIT kommen, lasse ich eine Periodentafel machen, auf der steht: "Wilkommen am MIT, ihr seid nun in eurem Element." Und wenn man es umschlägt sieht man die Aminosäuren mit den PH-Werten, bei denen sie verschiedene Ladungen haben. So verteile ich das an tausende Leute. Und obwohl MIT draufsteht und wir hier in Caltech sind, habe ich ein paar mehr dabei, falls jemand eins will. Ich hatte das Glück, dass Präsident Obama dieses Jahr mein Labor besuchte, während seines Besuchs am MIT, und ich wollte ihm unbedingt eine Periodentafel schenken. Daher blieb ich die ganze Nacht auf, und redete mit meinem Mann, "Wie gebe ich Präsident Obama eine Periodentafel? Was, wenn er sagt, 'Ah, ich habe schon eine', oder 'Die kenne ich schon auswendig'?" Er kam also in mein Labor, sah sich um – es war ein großartiger Besuch. Danach sagte ich dann, "Sir, ich möchte Ihnen eine Periodentafel schenken, falls Sie jemals ein Molekülgewicht berechnen müssen." Und ich dachte, Molekülgewicht klänge weniger streberhaft als Molekülmasse. Er sah es sich also an und sagte: "Danke, ich werde es mir periodisch ansehen." (Lachen) (Applaus) Und später bei einem Vortrag, den er zu sauberer Energie hielt, nahm der die Tafel hervor und sagte: "Von den Leuten am MIT bekommt man Periodentafeln."
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 ...
Also, was ich Ihnen nicht erzählt habe, ist dass vor etwa 500 Millionen Jahren, Organismen begannen Stoffe herzustellen, aber es dauerte fast 50 Millionen Jahre, bis sie gut darin waren. Sie brauchten fast 50 Millionen Jahre, um zu lernen wie man den Bau einer Abalone-Muschel perfektioniert. Das ist Studenten im Aufbaustudium schwer zu verkaufen. "Ich habe diese tolle Projekt – 50 Millionen Jahre." Wir mussten daher einen Weg finden, für unseren Versuch, dies schneller zu tun. Wir nehmen also ein Virus, das ungiftig ist, M13 Bakteriophagus heißt, und Bakterien befällt. Es hat eine einfache DNS-Struktur die man teilen kann, um zusätzliche DNS-Sequenzen einzufügen. Und dadurch wird es dem Virus möglich, beliebige Proteinstrukturen hervor zu bringen.
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.
Das ist ziemlich einfache Biotechnologie. Man könnte das im Grunde eine Million Mal machen. Man kann also eine Milliarde verschiedene Viren erhalten, die genetisch alle identisch sind, aber verschieden hinsichtlich der Spitzen einer Sequenz die ein Protein kodiert. Wenn man nun die Milliarde Viren nimmt – und sie passen alle in einen Tropfen Flüssigkeit – kann man sie zwingen, mit irgendwas im Periodensystem zu interagieren. Und durch eine Abfolge von Auswahl-Evolution, kann man eines aus einer Milliarde fischen, das tut was man will, wie zum Beispiel eine Batterie oder eine Solarzelle wachsen lassen.
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,
Grundsätzlich können Viren sich nicht selbst vermehren, sie brauchen einen Wirt. Sobald man das eine in der Milliarde gefunden hat, infiziert man ein Bakterium, und erhält Millionen und Milliarden Kopien dieser speziellen Sequenz. Was daher noch schön ist an der Biologie, ist dass Biologie wirklich für vorzügliche Strukturen sorgt mit schönen Größenordnungen der Verknüpfungen. Und diese Viren sind lang und dünn, und wir können ihnen beibringen, die Fähigkeit zu zeigen, etwas wie Halbleiter wachsen zu lassen, oder Stoffe für Batterien.
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.
Nun, dies ist eine leistungsstarke Batterie, die wir in unserem Labor haben wachsen lassen. Wir haben einen Virus so manipuliert, dass er Kohlenstoff-Nanoröhren aufnimmt. Der eine Teil des Virus nimmt also Kohlenstoff-Nanoröhren auf, der andere Teil des Virus hat eine Sequenz, die ein Elektrodenmaterial für eine Batterie wachsen lassen kann. Und dann verbindet es sich mit dem Spannungskollektor. Und so kamen über einen Prozess selektiver Evolution von einem Virus, das eine lausige Batterie machte, zu einem Virus, das eine gute Batterie machte, zu einem Virus, das eine Rekord brechende, leistungsstarke Batterie machte, und das alles bei Raumtemperatur, im Grunde auf der Werkbank. Und diese Batterie ging ans Weiße Haus anlässlich einer Pressekonferenz. Ich hab sie mitgebracht. Sie können sie hier in diesem Gehäuse sehen – sie treibt diese LED. Wenn wir das nun skalieren könnten, könnte man es tatsächlich benutzen, um einen Prius anzutreiben, was mein Traum ist – in der Lage zu sein, ein virusgetriebenes Auto zu fahren.
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.
Aber im Grunde – man nimmt einen aus einer Milliarde. Man kann es auf vielerlei Weise verstärken. Normalerweise macht man die Verstärkung im Labor, und dann bringt man es dazu, sich selbst in die Struktur einer Batterie zusammenzufügen. Wir können das auch katalysieren. Hier ist ein Beispiel von photokatalytischer Wassertrennung. Und wir haben es geschafft, das Virus dazu zu bringen, im Grunde farbabsorbierende Moleküle zu nehmen, und diese auf der Oberfläche des Virus aufzureihen, damit es als Antenne fungiert, und man einen Energietransfer durch das Virus bekommt. Dann bringen wir ein zweites Gen ein, um ein anorganisches Material zu erzeugen, dass für die Spaltung des Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff benutzt werden kann, der für saubere Treibstoffe verwendet werden kann. Davon habe ich heute ein Exemplar dabei. Meine Studenten haben mir versprochen, dass es funktioniert. Das sind Nanokabel, die von Viren verlegt wurden. Wenn man sie Licht aussetzt, kann man Blasen sehen. In diesem Fall sieht man Sauerstoffblasen heraus kommen. Im Prinzip kann man durch Steuerung der Gene verschiedene Materialien steuern, um die Geräteleistung zu verbessern.
(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,
Das letzte Beispiel sind Solarzellen. Man kann dies auch mit Solarzellen machen. Wir konnten Viren dazu bringen, Nanoröhren aufzunehmen und auf ihnen Titaniumdioxid anzulagern – damit Elektronen durch das Gerät hindurch können. Wir haben herausgefunden – mittels Gentechnik – dass wir tatsächlich die Effizienz dieser Solarzellen auf Rekordzahlen erhöhen können, bei dieser Art farbsensitivierter Systeme. Und davon habe ich auch eins mitgebracht, mit dem Sie später draußen herumspielen können. Dies ist also eine Solarzelle auf Basis eines Virus. Mittels Evolution und Selektion haben wir aus einer Solarzelle mit acht Prozent Wirkungsgrad eine Solarzelle mit elf Prozent Wirkungsgrad gemacht.
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.
Ich hoffe, ich konnte Sie überzeugen, dass es eine Menge großartiger, interessanter Dinge zu lernen gibt, darüber wie die Natur Stoffe bildet – und wie man das auf die nächste Stufe hebt, um zu sehen, ob man die Art der natürlichen Stofferzeugung forcieren kann, oder sie dazu nutzen, Dinge herzustellen, deren Herstellung die Natur sich bislang nicht hat träumen lassen.
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.
Ich danke Ihnen.
Thank you.