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.
J'ai pensé vous parler un peu de la façon dont la nature crée des matériaux. J'ai apporté avec moi une coquille d'ormeau. Cette coquille d'ormeau est un matériau biocomposite c'est 98 % en masse de carbonate de calcium et 2% en masse de protéines. Pourtant, elle est 3 000 fois plus résistante que son homologue géologique. Et beaucoup de gens peuvent utiliser des structures comme les coquilles d'ormeau, comme de la craie. Je suis fascinée par la façon dont la nature crée des matériaux, et il y a beaucoup de séquence dans la façon dont ils font un travail délicat. C'est en partie parce que ces matériaux ont des structures macroscopiques, mais ils sont formés à l'échelle nanométrique. Ils sont formés à l'échelle nanométrique, et ils utilisent des protéines qui sont codées au niveau génétique qui leur permettent de construire ces structures vraiment délicates.
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?
Donc, je pense que c'est vraiment fascinant de se demander si on pourrait donner vie à des structures inertes, comme les piles et comme les cellules photovoltaïques. Et si elles avaient quelques-unes des capacités d'une coquille d'ormeau, en termes de capacité à construire des structures vraiment délicates à température et pression ambiantes, en utilisant des produits chimiques non-toxiques et en ne rejetant aucune matière toxique dans l'environnement? Voilà donc la vision à laquelle j'ai réfléchi. Et donc si on pouvait faire pousser une batterie dans une boîte de Petri? Ou, si on pouvait donner des informations génétiques à une batterie afin qu'elle puisse effectivement devenir meilleure en fonction du temps, et le faire d'une manière respectueuse de l'environnement?
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.
Et donc, pour revenir à cette coquille d'ormeau, en plus d'être nano-structurée, une chose fascinante, c'est quand un mâle et une femelle ormeau se réunissent, ils transmettent les informations génétiques qui disent: "Voilà comment construire un matériau délicat. Voici comment le faire à température et pression ambiantes, en utilisant des matériaux non-toxiques. " Même avec des diatomées, qu'on voit ici, qui sont des structures de verre. Chaque fois que les diatomées se répliquent, elles donnent des informations génétiques qui disent: "Voici comment construire du verre dans l'océan qui soit parfaitement nano-structuré. Et vous pouvez le refaire, encore et encore. " Alors, si l'on pouvait faire la même chose avec une cellule phovoltaïque ou une batterie? Je tiens à dire mon biomatériau préféré est mon enfant de quatre ans.
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?
Mais quiconque a déjà eu, ou connait, de jeunes enfants sait qu'ils sont des organismes incroyablement complexes. Et si vous voulez les convaincre de faire quelque chose qu'ils ne veulent pas faire, c'est très difficile. Donc, quand on pense aux technologies de l'avenir, nous pensons en fait à utiliser des bactéries et des virus, des organismes simples. Peut-on les convaincre de travailler avec une nouvelle boîte à outils, afin qu'ils puissent construire une structure qui sera importante pour moi?
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.
En outre, nous réfléchissons aux technologies de l'avenir. Nous commençons par l'origine de la Terre. En gros, il a fallu un milliard d'années pour qu'il y ait de la vie sur Terre. Et très rapidement, les êtres vivants sont devenus multi-cellulaires, ils ont pu se répliquer, utiliser la photosynthèse comme un moyen de récupérer leur source d'énergie. Mais il y a seulement environ 500 millions d'années - au cours de la période cambrienne - que les organismes dans l'océan ont commencé à créer des matériaux durs. Avant cela, c'étaient des structures toutes molles, moelleuses. Et c'est pendant cette période qu'il y a eu plus de calcium et de fer et de silicium dans l'environnement. Et les organismes ont appris à faire des matériaux durs. Et c'est ce que je voudrais être en mesure de le faire - convaincre la biologie de travailler avec le reste du tableau périodique.
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.
Maintenant, si vous regardez la biologie, il y a de nombreuses structures comme l'ADN et les anticorps et les protéines et les ribosomes dont vous avez entendu parler qui sont déjà nano-structurés. Donc la nature nous donne déjà des structures vraiment délicates à l'échelle nanométrique. Et si nous pouvions les mettre à profit et les convaincre de ne pas être un anticorps qui fasse quelque chose comme le VIH? Mais si on pouvait les convaincre de construire une cellule photovoltaïque pour nous? Alors voici quelques exemples: ce sont quelques coquilles naturelles. Il existe des matériaux naturels biologiques. La coquille d'ormeau ici - et si vous la fracturez, vous pouvez voir le fait que c'est nano-structuré. Il y a des diatomées fabriquées à partir de SiO2, et ce sont des bactéries magnétotactiques qui font de petits aimants à domaine unique utilisés pour la navigation. Ce qu'ils ont tous en commun c'est que ces matériaux sont structurés à l'échelle nanométrique, et qu'ils ont une séquence d'ADN qui code une séquence protéique, qui leur donne le plan pour qu'ils puissent construire ces structures vraiment merveilleuses. Maintenant, pour revenir à la coquille d'ormeau, l'ormeau fait cette coquille grâce à ces protéines. Ces protéines sont très chargées négativement. Et elles peuvent tirer du calcium de l'environnement, appliquer une couche de calcium, puis du carbonate, du calcium et du carbonate. Il a les séquences chimiques des acides aminés qui disent: "C'est comme ça qu'on construit la structure. Voici la séquence d'ADN, voici la séquence de la protéine pour le faire. " Et donc une idée intéressante est, si vous pouviez prendre n'importe quel matériau, ou tout autre élément du tableau périodique, et trouver sa séquence d'ADN correspondante, et puis le coder en une séquence de protéine correspondante pour construire une structure, mais pas une coquille d'ormeau - construire quelque chose avec quoi, parmi toute la nature, il n'a jamais encore eu l'occasion de travailler .
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."
Et voici donc le tableau périodique. Et j'adore vraiment le tableau périodique. Chaque année pour la classe de première année entrant au MIT, je fais un tableau périodique qui dit: "Bienvenue au MIT. Maintenant vous êtes dans votre élément."
(Laughter)
Et vous le retournez, et c'est les acides aminés
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?'"
avec le PH auquel ils ont des charges différentes. Et donc je le donne à des milliers de personnes. Et je sais qu'il y a écrit MIT, et ici c'est Caltech, mais j'en ai quelques-uns en plus si quelqu'un en veut. Et j'ai vraiment eu de la chance que le président Obama visite mon laboratoire cette année lors de sa visite au MIT, et je voulais vraiment lui donner un tableau périodique. J'ai donc veillé tard, et j'ai parlé à mon mari, "Comment puis-je donner au président Obama un tableau périodique? Que faire s'il dit, 'Oh, j'en ai déjà un, ' ou, 'je l'ai déjà mémorisé ?"
(Laughter)
Et il est venu visiter mon laboratoire
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."
et il a regardé autour de lui - ce fut une excellente visite. Et puis après, j'ai dit, "Monsieur, je veux vous donner le tableau périodique pour le jour où vous seriez dans une impasse et devriez calculer un poids moléculaire. "
(Laughter)
Et j'ai pensé que poids moléculaire sonnait beaucoup moins ringard
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
que masse molaire.
(Laughter)
Et il l'a regardé,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
Et il a dit: "Je vous remercie. Je vais le regarder périodiquement."
(Laughter)
(Rires)
(Applause)
(Applaudissements)
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 ...
Et plus tard dans une conférence qu'il a donnée sur l'énergie propre, il l'a sorti et a dit: "Et les gens au MIT, ils donnent des tableaux périodiques".
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.
Donc, en gros, ce que je ne vous ai pas dit c'est qu'il y a près de 500 millions d'années, les organismes ont commencé à fabriquer des matériaux, mais il leur a fallu environ 50 millions d'années pour devenir bons. Il leur a fallu environ 50 millions d'années pour apprendre à parfaire la manière de faire cette coquille d'ormeau. Et c'est difficile à vendre à un étudiant diplômé. "J'ai ce grand projet -. 50 millions d'années" Et nous avons donc dû développer une façon d'essayer de le faire plus rapidement. Et donc nous utilisons un virus qui est un virus non-toxique appelé bactériophage M13 dont c'est le travail d'infecter les bactéries. Eh bien, il a une structure ADN simple que vous pouvez couper et y coller des séquences d'ADN supplémentaires. Et ce faisant, il permet au virus d'exprimer des séquences de protéines aléatoires.
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.
Et cela est de la biotechnologie assez facile . Et vous pourriez le faire en gros un milliard de fois. Et donc vous pouvez obtenir un milliard de virus différents qui sont tous génétiquement identiques, mais ils diffèrent les uns des autres en fonction de leurs terminaisons, sur une séquence qui code une protéine. Maintenant si vous prenez tous les milliards de virus, et vous pouvez les mettre dans une goutte de liquide, vous pouvez les forcer à interagir avec tout ce que vous voulez sur le tableau périodique. Et à travers un processus d'évolution de sélection, vous pouvez en tirer un sur un milliard qui fait quelque chose que vous aimeriez qu'il fasse, comme de cultiver une batterie ou développer une cellule photovoltaïque. Donc, en gros, les virus ne peuvent pas se reproduire, ils ont besoin d'un hôte.
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.
Une fois que vous trouvez celui sur un milliard, vous en infectez une bactérie, et vous faites des millions et des milliards de copies de cette séquence particulière. Et ce qu'il y a aussi de beau dans la biologie c'est que la biologie vous donne des structures vraiment délicates avec de belles échelles de connexion. Et ces virus sont longs et maigres, et nous pouvons les amener à exprimer la capacité à développer quelque chose comme les semi-conducteurs ou des matériaux pour les batteries.
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.
Maintenant, voici d'une batterie haute puissance que nous avons développée dans mon laboratoire. Nous avons conçu un virus pour ramasser des nanotubes de carbone. Donc, une partie du virus attrape un nanotube de carbone. L'autre partie du virus a une séquence qui peut développer un matériau d'électrode pour une batterie. Et puis il se connecte lui-même au courant collecteur. Et donc à travers un processus d'évolution de sélection, nous sommes passés d'un virus qui créait une batterie minable à un virus qui fait une bonne batterie à un virus qui a fait une batterie de forte puissance qui bat des records le tout, fait à température ambiante, essentiellement sur la paillasse. Et cette batterie est allée à la Maison Blanche pour une conférence de presse. Je l'ai amenée ici. Vous pouvez le voir dans cette boite - elle éclaire ce LED. Maintenant, si nous pouvions en augmenter l'échelle, vous pourriez effectivement l'utiliser pour faire fonctionner votre Prius, ce qui est mon rêve - pouvoir conduire une voiture à propulsion virus.
(Laughter)
Mais il s'agit essentiellement -
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.
vous pouvez tirer un sur un milliard. Vous pouvez l'amplifier beaucoup En gros, vous faites une amplification dans le laboratoire. Et puis, vous le faites s'auto-assembler en une structure semblable à une batterie. Nous sommes en mesure de le faire aussi par catalyse. C'est l'exemple du fractionnement photocatalytique de l'eau. Et ce que nous avons pu faire c'est concevoir un virus pour qu'il prenne des molécules qui absorbent les colorants et les aligne sur la surface du virus pour qu'il agisse comme une antenne, et vous obtenez un transfert d'énergie à travers le virus. Et puis on lui donne un second gène pour développer un matériau inorganique qui puisse être utilisé pour décomposer l'eau en oxygène et en hydrogène, qui puisse être utilisé pour des carburants propres. Et j'en ai apporté avec moi un exemple aujourd'hui. Mes étudiants m'ont promis que ça marcherait. Ce sont des nanofils assemblés par des virus. Lorsque vous les mettez sous la lumière, vous les voyez faire des bulles. Dans le cas présent, vous voyez des bulles d'oxygène sortir..
(Applause)
Et dans le fond en contrôlant les gènes,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
vous pouvez contrôler des matériaux multiples pour améliorer les performances de votre appareil. Le dernier exemple sont des cellules photovoltaïques.
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.
Vous pouvez aussi le faire avec des cellules photovoltaïques. Nous avons été en mesure de concevoir des virus pour ramasser des nanotubes de carbone et ensuite générer du dioxyde de titane autour - et les utiliser pour obtenir des électrons à travers le dispositif. Et ce que nous avons constaté c'est que, grâce au génie génétique, on peut vraiment augmenter l'efficacité de ces cellules photovoltaïques pour enregistrer les chiffres pour ces types de systèmes sensibles aux colorants. Et j'en ai apporté un aussi pour que vous puissiez jouer avec à l'extérieur par la suite. Il s'agit donc d'une cellule photovoltaïque à base de virus. Grâce à l'évolution et la sélection, nous l'avons fait passer d'une cellule solaire à 8 % d'efficacité à une cellule à 11 % d'efficacité.
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.
J'espère donc que je vous ai convaincus qu'il y a beaucoup de grandes choses intéressantes à apprendre sur comment la nature crée les matériaux - et en l'amenant à l'étape suivante pour voir si on peut forcer, ou si on peut profiter de la manière dont la nature crée les matériaux, pour créer des choses que la nature n'a pas encore rêvé de créer.
Thank you.
Merci.
(Applause)