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.
Ajattelin puhua siitä, miten luonto tekee materiaaleja. Toin mukanani punamerikorvan kuoren. Se on biokomposiittimateriaali, joka on 98 prosenttia massaltaan kalsiumkarbonaattia ja kaksi prosenttia proteiinia. Silti se on 3000 kertaa sitkeämpi kuin sen geologinen vastine. Monet ihmiset saattavat käyttää vastaavia rakenteita, kuten kalkkikiveä. Minua kiehtoo luonnon tapa tehdä niin erinomaisia materiaaleja, ja siihen liittyvät salaisuudet. Osa sitä on, että nämä materiaalit ovat rakenteeltaan makroskooppisia, mutta ne ovat muodostuneet nanomittakaavassa, ja ne käyttävät proteiineja, jotka on koodattu geneettisesti, mikä mahdollistaa näiden erinomaisten rakenteiden rakentamisen.
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?
Joten mielestäni olisi kiehtovaa, jos voitaisiin puhaltaa elämää elottomiin rakenteisiin, kuten akkuihin tai aurinkokennoihin. Mitä jos niillä olisi joitain samoja ominaisuuksia kuin punamerikorvan kuorella, pystyen niiden puitteissa rakentamaan erinomaisia rakenteita huoneen lämpötilassa ja paineessa, käyttäen myrkyttömiä kemikaaleja ja päästämättä myrkyllisiä materiaaleja takaisin ympäristöön? Sitä visiota olen pohtinut. Mitä jos voisi kasvattaa akun? Mitä jos akulle voisi antaa geneettistä informaatiota siten, että siitä tulisi parempi ajan mittaan, ja se kävisi ympäristöystävällisesti?
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.
Palatakseni punamerikorvan kuoreen, sen lisäksi, että se on nanorakenteinen, on kiehtovaa, että uros- ja naaraspunamerikorvan kohdatessa, ne välittävät eteenpäin geneettistä tietoa, joka sanoo: "Näin rakennat erinomaisen materiaalin." "Näin teet sen huoneen lämpötilassa ja paineessa" "käyttäen myrkyttömiä materiaaleja." Samoin piilevät, jotka näkyvät tässä, ja jotka ovat lasisia rakenteita. Aina kun piilevä monistaa itsensä, se antaa geneettistä informaatiota: "Näin rakennat meressä lasia," "joka on täydellinen nanorakenne." "Ja voit tehdä saman uudelleen ja uudelleen." Mitä jos saman voisi tehdä aurinkokennolle tai akulle? Kerron mielelläni, että biomateriaaleista lempparini on neljävuotias lapseni.
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?
Mutta kaikki, joilla on joskus ollut tai tuntee pieniä lapsia, tietää miten monimutkaisia organismeja he ovat. Jos haluaa saada heidät tekemään jotain, mitä he eivät halua tehdä, se on hyvin vaikeaa. Miettiessämme tulevaisuuden teknologioita, aiomme käyttää bakteereja ja viruksia -- yksinkertaisia organismeja. Voiko ne suostutella töihin meille, rakentamaan rakenne, joka on minulle tärkeä?
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.
Mietimme myös tulevaisuuden teknologioita. Aloitamme Maapallon alusta. Kesti miljardi vuotta saada elämää Maapallolle. Hyvin nopeasti se muuttui monisoluiseksi, se pystyi toisintamaan itseään ja pystyi yhteyttämään tuottaakseen energiaa. Mutta vasta 500 miljoonaa vuotta sitten -- kambrikaudella -- organismit meressä alkoivat tehdä kovia materiaaleja. Sitä ennen rakenteet olivat pehmeitä. Sinä aikana kalsiumina, rautaa ja piitä oli ympäristössä enemmän. Ja organismit oppivat tekemään kovia materiaaleja. Niin minäkin haluaisin tehdä -- vakuuttaa biologian työskentelemään loppujenkin alkuaineiden kanssa.
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.
Jos ajatellaan biologiaa, on monia rakenteita kuten DNA ja vasta-aineita ja proteiineja ja ribosomeja, joista olette kuulleet, jotka ovat jo nanorakenteita. Luonto siis antaa jo meille todella verrattomia rakenteita nanomittakaavassa. Mitä jos voisimme valjastaa ne ja vakuuttaa ne olemasta vasta-aineita, jotka tekevät sellaista kuin HIV? Mitä jos voisimme vakuuttaa ne rakentamaan meille aurinkokennon? Nämä ovat luonnollisia kuoria -- biologisia materiaaleja. Tämän punamerikorvan kuori -- jos sen halkaisee, näkee, että se on itse asiassa nanorakenteinen. Nämä piilevät ovat piidioksidia, ja nuo ovat magneettikentille herkkiä bakteereja, jotka vamistavat pieniä magneetteja navigoidakseen. Näille kaikille yhteistä on se, että niillä on rakenne nanomittakaavassa, ja niillä on DNA-sekvenssi, joka koodaa proteiinisekvenssin, joka antaa niille ohjeet näiden ihanien rakenteiden rakentamiseen. Palatakseni punamerikorvan kuoreen, punamerikorva tekee kuoren näillä proteiineilla. Nämä proteiinit ovat negatiivisesti varautuneita. Ne vetävät kalsiumia ympäristöstään, tekevät kerroksen kalsiumia ja sitten karbonaattia, kalsiumia ja karbonaattia. Sillä on kemiallinen aminohapposekvenssi, joka sanoo: "Näin rakennat sen rakenteen." "Tässä on DNA-sekvenssi, tässä proteiinisekvenssi" "sen tekemiseen." Jos voisi ottaa minkä tahansa haluamansa materiaalin tai minkä tahansa alkuaineen jaksollisesta järjestelmästä ja löytäisi vastaavan DNA-sekvenssin ja koodaisi sen vastaavan proteiinisekvenssin rakentamaan rakenteen, ei punamerikorvan kuorta -- vaan jotain, jota luonto ei vielä ole saanut aikaan.
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."
Tässä jaksollinen järjestelmä. Rakastan jaksollista järjestelmää. Joka vuosi annan uusille opiskelijoille MIT:ssä jaksollisen järjestelmän, jossa lukee: "Tervetuloa MIT:hin. Nyt olet elementissäsi."
(Laughter)
Kääntöpuolella ovat aminohapot
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?'"
pH-arvoineen, missä niillä on eri varaukset. Joten annan tämän tuhansille ihmisille. Vaikka tämä on Caltech eikä MIT, minulla on muutama mukana, mikäli joku haluaa sellaisen. Olin hyvin onnekas saadessani vastaanottaa presidentti Obaman vierailun labrassani tänä vuonna, ja halusin antaa hänelle jaksollisen järjestelmän. Joten valvoessani yöllä, kysyin mieheltäni: "Miten annan presidentti Obamalle jaksollisen järjestelmän?" "Mitä jos hän sanoo: 'Minulla on jo sellainen'," "tai 'Muistan sen ulkoa'?"
(Laughter)
Joten hän tuli labraani
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."
ja katseli ympärilleen -- se oli hieno vierailu. Sen jälkeen sanoin: "Sir, haluan antaa teille jaksollisen järjestelmän" "siltä varalta, että teidän tarvitsee laskea molekyylipaino."
(Laughter)
Arvelin, että molekyylipaino kuulostaa vähemmän nörtiltä
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
kuin moolimassa.
(Laughter)
Joten hän katsoi sitä
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
ja sanoi: "Kiitos. Aion katsoa sitä jaksollisesti."
(Laughter)
(Naurua)
(Applause)
(Aplodeja)
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 ...
Myöhemmin pitäessään luentoa puhtaasta energiasta hän otti sen esille ja sanoi: "Ihmiset MIT:ssä antavat jaksollisia järjestelmiä."
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.
En kertonut teille, että 500 miljoonaa vuotta sitten, organismit alkoivat tehdä materiaaleja, mutta niiltä meni 50 miljoonaa vuotta kehittyä hyviksi siinä. Niiltä kesti 50 miljoonaa vuotta kehittyä täydellisiksi punamerikorvan kuoren tekemisessä. Sitä on hankala myydä tohtoriopiskelijalle. "Minulla on tämä hieno projekti -- 50 miljoonaa vuotta." Joten meidän piti keksiä tapa tehdä se nopeammin. Joten käytämme vaaratonta virusta nimeltä M13 bakteerifaagi, jonka tehtävä on infektoida bakteereja. Sillä on yksinkertainen DNA-rakenne, josta voi leikata ja johon voi liittää DNA-sekvenssejä. Sillä tavoin virus voi ilmaista satunnaisia proteiinisekvenssejä.
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.
Tämä on melko helppoa bioteknologiaa. Tämän voi tehdä oleellisesti miljardi kertaa. Joten voi saada miljardi eri virusta, jotka ovat geneettisesti identtisiä, mutta ne eroavat yhden sekvenssin kärkien verran, ja se koodaa yhden proteiinin. Jos ottaa miljardi virusta ja laittaa ne yhdeen nestepisaraan, ne voi pakottaa vuorovaikuttamaan minkä tahansa alkuaineen kanssa. Evoluution valitsemana yksi noista miljardista tekee sen, mitä sen halutaan tekevän, kuten kasvattavan akun tai aurinkokennon. Virukset eivät voi monistaa itseään, ne tarvitsevat isännän.
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.
Kun löytää sen yhden miljardista, sillä infektoidaan bakteeri, ja tehdään miljoonia ja miljardeja kopioita siitä tietystä sekvenssistä. Toinen asia, mikä on kaunista biologiassa, on se, että biologia antaa hienoja rakenteita, mukavissa mittakaavoissa. Nämä virukset ovat pitkiä ja kapeita, saamme ne ilmentämään kykyä kasvattaa jotain, kuten puolijohteita tai materiaaleja akkuihin.
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.
Tämä on tehokas akku, jonka kasvatimme labrassani. Teimme viruksen, joka poimii hiilinanoputkia. Yksi osa viruksesta ottaa hiilinanoputken. Toisessa osassa virusta on sekvenssi, joka kasvattaa materiaalia elektrodiksi akulle. Sitten se yhdistää itsensä virtakollektorille. Valitsevan evoluution avulla me edistyimme viruksesta, joka teki kehnon akun, virukseen, joka teki hyvän akun, virukseen, joka teki ennätykset rikkovan todella tehokkaan akun, joka on tehty täysin huoneen lämpötilassa, periaatteessa työpöydällä. Se akku meni Valkoiseen taloon lehdistökonferenssiin. Toin sen tänne. Näette sen tässä -- se antaa virtaa tälle ledille. Jos voimme tehdä tätä isommassa mittakaavassa, sitä voisi käyttää [Toyota] Priuksessa -- unelmani on ajaa autoa virusvoimalla.
(Laughter)
Mutta oleellisesti --
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.
voi vetää ulos yhden miljardista. Sitä voi vahvistaa. Laboratoriossa sitä vahvistetaan. Sitten se saadaan itsejärjestäytymään rakenteeksi -- kuten akuksi. Voimme tehdä tämän myös katalyysillä. Tässä on esimerkki fotokatalyyttisestä veden hajottamisesta. Olemme onnistuneet tekemään viruksen, ja ottaa väriaineita absorboivia molekyylejä, jotka järjestäytyvät viruksen pinnalle toimien antennina, ja saadaan energian siirto viruksen läpi. Sitten sille annetaan toinen geeni rakentamaan epäorgaanista materiaalia, jota voidaan käyttää veden hajottamiseen hapeksi ja vedyksi, joita voidaan käyttää puhtaina polttoaineina. Toin mukanani esimerkin. Opiskelijani lupasivat, että tämä toimisi. Nämä ovat viruksen järjestämiä nanokaapeleita. Kun sen valaisee, se kuplii. Tässä tapauksessa näette happikuplien tulevan ulos.
(Applause)
Oleellisesti geenejä kontrolloiden
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
voi kontrolloida monia materiaaleja parantaakseen laitteiden suoritustasoa. Viimeinen esimerkki ovat aurinkokennot.
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.
Tämän voi tehdä myös aurinkokennoilla. Olemme onnistuneet tekemään viruksia, jotka ottavat hiilinanoputkia ja kasvattavat titaanidioksidia niiden ympärille -- ja siten elektronit pääsevät laitteen läpi. Löysimme, että geneettisellä muokkauksella voimme itse asiassa lisätä näiden aurinkokennojen tehokkuuksia ennätyslukemiin tämän tyyppisille väriainepohjaisille systeemeille. Toin myös yhden noista, ja voitte leikkiä sillä myöhemmin -- tämä on viruspohjainen aurinkokenno. Evoluution ja valinnan kautta saimme kahdeksan prosentin tehoisesta aurinkokennosta 11 prosentin tehoisen aurinkokennon.
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.
Toivoakseni olen vakuuttanut teidät siitä, että on paljon hienoja, mielenkiintoisia asioita opittavana luonnon tavoista tehdä materiaaleja -- ja viedä sen seuraavalle tasolle nähdäkseen voiko sitä pakottaa, tai jotenkin hyödyntää luontoa tekemään asioita, joista se ei vielä unelmoinut.
Thank you.
Kiitos.
(Applause)