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.
Voy a platicar un poco acerca del modo en que la naturaleza crea materiales. Traje una concha de abulón. Esta concha de abulón es un material bio-compuesto y el 98% de su masa es carbonato de calcio, el otro 2% es proteína. Con todo ello, es 3,000 veces más duro que su contraparte geológica. Y mucha gente podría usar estructuras como las conchas de abulón. como tiza. Estoy fascinada por la manera en la que la naturaleza hace materiales y hay mucha secuencia en cómo hacen un trabajo tan exquisito. Parte de ello es que estos materiales son macroscópicos en su estructura. pero se forman en una nano-escala Se construyen a nano-escala, y usan proteínas que están codificadas a nivel genético. que les permiten construir estas exquisitas estructuras.
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?
Hay algo que encuentro verdaderamente fascinante y es: ¿Qué pasaría si pudieras dar vida a estructuras no vivas, como baterías y celdas solares? ¿Qué tal si tuvieran algunas de las mismas capacidades que la concha de abulón? Es decir ¿Podrían ser capaces de construir estructuras exquisitas a presión y temperatura ambiente, usando materiales no tóxicos y sin emitir compuestos tóxicos al medio ambiente? Esa es la visión que tengo en mente. ¿Qué tal si pudiéramos hacer crecer una batería en una caja de petri? O, ¿Qué tal si pudiéramos darle información genética a una batería que pudiera mejorar su desempeño como función del tiempo, y de forma ambientalmente amigable?
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.
Volvamos a la concha de abulón, además de tener una nano-estructura otra cosa que es fascinante, es que cuando el abulón macho y la hembra se juntan, pasan su información genética que dice: "Esta es la manera de hacer un material exquisito. Aquí dice como hacerlo a temperatura y presión ambientales, usando materiales no tóxicos." Igual con las diatomeas, que se muestran aquí y que tienen estructuras vidriadas. Cada vez que la diatomea se replica, lleva consigo la información genética que dice, "He aquí cómo construir vidrio en el océano que es una perfecta nano-estructura. Y puedes hacer lo mismo una y otra vez." ¿Qué tal si pudiéramos hacer lo mismo con una celda solar o una batería? Me gusta decir que mi biomaterial favorito es mi hijo de cuatro años.
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?
Pero cualquiera que haya tenido o conozca a niños pequeños sabe que son organismos increíblemente complejos. Y que si quieres convencerlos de hacer algo que no quieren, es súper difícil. Así que cuando pensamos acerca de futuras tecnologías, pensamos en usar bacterias y virus, organismos simples. ¿Pueden ustedes convencerlos que trabajen con nuevas herramientas, de manera que puedan construir una estructura que sea importante para mí?
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.
También pensamos acerca de tecnologías del futuro. Comencemos con el inicio de la Tierra. Básicamente le tomó un millardo de años generar vida en el planeta. Y de manera muy rápida se convirtió en multicelular, que podía replicarse y podía usar fotosíntesis para conseguir su propia energía. Pero no fue sino hasta hace 500 millones de años durante la era geológica del Cámbrico que los organismos del océano empezaron a hacer materiales duros. Antes de eso todo era suave, estructuras esponjosas. Y fue durante ese tiempo que hubo un incremento de calcio, hierro y silicio en el ambiente. Y los organismos aprendieron cómo hacer materiales duros. Así que eso es lo que me gustaría hacer, convencer a los seres vivos para que trabajen con el resto de la tabla periódica.
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. 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.
Ahora que miremos a la vida, hay muchas estructuras como el DNA y los anticuerpos y proteínas y ribosomas de los que ustedes han oído hablar ellos son de hecho nano-estructuras. La naturaleza nos da de manera natural estructuras exquisitas a nivel de nano-escala. ¿Qué tal si pudiéramos domesticarlas y convencerlas de no ser un anticuerpo que hace algo como el HIV? ¿Pero qué tal su pudiéramos convencerlas de construir una celda solar para nosotros? Aquí hay algunos ejemplos: Estas son algunas conchas naturales. Estos son materiales biológicos naturales. La concha de abulón aquí, y si acaso la rompes, puedes ver el hecho de que es una nano-estructura. Estas son diatomeas, hechas de SIO2, y estas son bacterias magneto-tácticas que hacen pequeños imanes permanentes usados para navegación. Lo que todas ellas tienen en común es que estos materiales tienen estructuras a nivel de nano-escala, y que tienen una secuencia de ADN que codifica una secuencia proteica, así que eso les da el bosquejo para que puedan construir estas maravillosas estructuras. Ahora, volviendo a la concha de abulón, el abulón hace esta concha teniendo consigo estas proteínas. Estas proteínas tienen cargas muy negativas. Y podrían sacar calcio del medio ambiente, poner una capa de calcio y después carbonato, calcio y carbonato. Tiene la secuencia química de amino-ácidos que dice, "Así es como se arma la estructura. Aquí viene la secuencia de DNA, aquí la secuencia de proteínas para armar todo." De aquí surge la idea: ¿Qué tal si pudieras tomar el material que quisieras, o cualquier elemento de la tabla periódica, y encontrar la secuencia de DNA que le corresponde, y despues codificar su secuencia proteica para armar la estructura, pero no construir una concha de abulón -- sino construir algo en lo que la naturaleza nunca podido trabajar antes.
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."
Aquí esta la tabla periódica. Yo amo la tabla periódica. Cada año doy una clase a los recién llegados al MIT, Y les regalo una tabla periódica que dice, "Bienvenidos al MIT. Ahora están en su elemento."
(Laughter)
Si le dan la vuelta, encontrarán los amino-ácidos
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?'"
con el pH en el que presentan diferentes cargas. Le regalo esta tabla a miles de personas. Ya sé que dice MIT y estamos en Caltech, pero tengo unas que me sobran si acaso las quieren. Y fui realmente afortunada de recibir al Presidente Obama en mi laboratorio este año en su visita al MIT, y de verdad que tenía ganas de regalarle una tabla periódica. Así que en una noche de insomnio le dije a mi esposo, "¿Cómo le podría dar una tabla periódica al Presidente Obama?" Que tal si me contesta, '¡Ah! Ya tengo una,' o, 'Ya me la sé de memoria'?"
(Laughter)
Y finalmente llegó a mi laboratorio
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."
y miró alrededor -fue una gran visita. Y después le dije "Señor, quisiera darle una tabla periódica en caso de que algún día este en problemas y necesite calcular un peso molecular."
(Laughter)
Pensé que peso molecular sonaba mucho menos extraño
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
que masa molecular.
(Laughter)
Así que la vio,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
y dijo, "Gracias. La voy a ver periódicamente."
(Laughter)
(Risas)
(Applause)
(Aplausos)
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 ...
Y después en una presentación que él dio sobre energía limpia, sacó su tabla y dijo, "Y hay gente en el MIT que regala tablas periódicas."
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.
Así que básicamente, lo que no les he dicho es que hace 500 millones de años, los organismos empezaron a fabricar materiales, pero les tomó 50 millones de años ser buenos en eso. Les tomó 50 millones de años aprender como perfeccionar el proceso de fabricación de la concha de abulón. Y eso es algo difícil de venderle a un estudiante de posgrado. "Tengo este gran proyecto -50 millones de años." Así que tuvimos que desarrollar un método para tratar de hacer esto más rápido. Utilizamos un virus, un virus no tóxico, llamado bacteriófago M13 cuyo trabajo es infectar una bacteria. Su DNA tiene una estructura simple y le puedes simplemente cortar y pegar secuencias adicionales de DNA. Y al hacer esto, permites que el virus exprese secuencias aleatorias de proteínas.
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, like grow a battery or a solar cell.
Y esta es una biotecnología sencilla. Y es posible hacer esto mil millones de veces. Y puedes ir y tener mil millones de virus diferentes que sean genéticamente idénticos, pero que sean diferentes unos de otros por sus terminaciones en una secuencia que codifica una proteína. Ahora, si tomamos mil millones de virus, y los ponemos en una gota de líquido, podemos forzarlos a interactuar con cualquier cosa en la tabla periódica. Y a través del proceso de selección-evolución, podemos obtener uno en mil millones que haga algo que nos gustaría que hiciera, como fabricar una batería o una celda solar. Para que los virus puedan replicarse necesitan un huésped.
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.
Una vez que encontramos ese uno en mil millones, infectamos una bacteria, y hacemos miles de millones de copias de esa secuencia en particular. La otra cosa maravillosa de la biología es que la biología nos da exquisitas estructuras con verdadera armonía. Estos virus son largos y delgados, y podemos hacer que expresen la habilidad de fabricar algo como semiconductores o materiales para baterías.
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.
Esta es una batería de alta potencia que fabricamos en mi laboratorio. Fabricamos un virus que utilizaba nanotubos de carbón. Una parte del virus agarraba un nanotubo de carbón. La otra parte del virus tiene una secuencia que puede generar material para el electrodo de una batería. Y después se conecta a sí mismo con el colector de corriente. Y a través del proceso de selección-evolución, vamos desde un virus que fabrica una batería sencilla hasta un virus que hace una buena batería y hasta un virus que hace una batería de alta potencia capaz de romper records hecha totalmente a temperatura ambiente, básicamente en la mesa del laboratorio. Y esa batería viajó hasta la Casa Blanca para una conferencia de prensa. La traje conmigo. Pueden ver en este caso, que mantiene esta lámpara encendida. Si pudiéramos escalar esto, podríamos usarlo para hacer rodar a su auto, ese es mi sueño, poder manejar un auto alimentado por virus.
(Laughter)
El proceso es básicamente --
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.
que puedas sacar uno de mil millones. Poder hacer muchas copias del mismo. Básicamente podríamos hacer una amplificación en el laboratorio. Y después hacer que se auto-ensamble para dar la estructura de una batería. Podemos hacer esto con catalizadores. En este ejemplo de un separador catalítico de agua. Y eso es lo que hemos podido hacer modificar el virus para que absorba moléculas de tinta y ponerlas alineadas en la superficie del virus así que actúa como antena. y obtenemos una transferencia de energía a través del virus. Y entonces le damos un segundo gen para utilizar un material inorgánico que pueda usarse para separar agua en hidrógeno y oxígeno, que puede usarse como combustible limpio. Hoy traje conmigo este ejemplo. Mis alumnos me prometieron que funcionaría. Estos son nano-cables ensamblados por virus. Cuando les echamos la luz, pueden ver que hay un burbujeo. En este caso, están observando burbujas de oxígeno salir.
(Applause)
Fundamentalmente, mediante el control de los genes,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
podemos controlar múltiples materiales y mejorar el desempeño de sus equipos. El último ejemplo son las celdas solares.
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.
Podemos hacer esto con celdas solares. Hemos diseñado virus que pueden tomar nanotubos de carbono y depositar una capa de dióxido de titanio a su alrededor -- y usarlos para atrapar a los electrones en el aparato. Lo que encontramos es que a través de la ingeniería genética, podemos, de hecho, aumentar la eficiencia de estas celdas solares hasta números récord para estos tipos de sistemas de celdas (Grätzel). Traje conmigo también uno de estos con el que pueden jugar una vez que termine la sesión. Esta es una celda solar generada por virus. A través de la evolución y la selección, llevamos la celda desde una eficiencia del 8% hasta una eficiencia de 11%
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.
Espero haberles convencido de que hay miles de cosas interesantes por aprender acerca de cómo la naturaleza fabrica materiales -- y llevarlo un paso más adelante para aprender cómo manejar, o cómo aprovechar la manera en la que la naturaleza fabrica materiales. para crear cosas que la naturaleza ni siquiera ha soñado.
Thank you.
Gracias.
(Applause)