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.
חשבתי לדבר קצת על איך הטבע יוצר חומרים. הבאתי איתי קונכיית אבלוני. קונכיית האבלוני היא חומר אורגני מרוכב ש98 אחוז ממסתו היא סידן פחמתי ושני אחוז חלבון. ועדיין, הוא קשיח פי 3000 מהקרוב הגאולוגי שלו. והרבה אנשים יכולים להשתמש במבנים כמו קונכיות אבלוני, לדוגמה גיר. תמיד הוקסמתי מהדרך בה הטבע מייצר חומרים, ויש הרבה מסתורין באיך הוא עושה כאלה עבודות מעודנות. חלק מזה זה העובדה שהחומרים האלה בעלי מבנה מקרוסקופי, אבל הם נוצרים בקנה מידה ננומטרי. הם נוצרים בקנה מידה ננומטרי, והם משתמשים בחלבונים שמקודדים ברמה הגנטית שמאפשרים להם לבנות את הצורות המעודנות האלה.
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?
אז משהו שאני חושבת שממש מרתק זה מה אם תוכלו לתת חיים למבנים דוממים, כמו סוללות וכמו תאים סולאריים? מה אם היו להם את אותן יכולות שיש לקונכיית האבלוני יש, מבחינת היכולת לבנות מבנים עדינים בטמפרטורת החדר ולחץ אטמוספרי רגיל, על ידי שימוש בחומרים לא רעילים ובלי הוספה של חומרים רעילים לסביבה? אז זה החזון שחשבתי עליו. אז מה אם תוכלו לגדל סוללות בצלחת פטרי? או, מה אם תוכלו להעביר מידע גנטי לסוללה כך שהיא תוכל להשתפר במשך הזמן, ולעשות זאת בדרך ידידותית לסביבה?
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.
וכך, בחזרה לקונכיית האבלוני, מלבד מהמבנה הננומטרי שלה, דבר נוסף שמרתק, הוא שכשזכר ונקבה נפגשים, הם מעבירים את המידע הגנטי שאומר, "זו הדרך לבנות חומר מעודן. ככה עושים את זה בטמפרטורת החדר ולחץ רגיל, על ידי שימוש בחומרים לא רעילים." אותו הדבר עם דיאטומים, שמוצגים פה, שהם מבנים זכוכיתיים. כל פעם שהדיאטומים משתכפלים, הם מעבירים את המידע הגנטי שאומר, "כך בונים זכוכית באוקיינוס שבנוי ננומטרית בצורה מושלמת. וניתן לעשות את זה אותו דבר, שוב ושוב." אז מה אם תוכלו לעשות אותו דבר עם תאים סולאריים או סוללות? אני אוהבת להגיד שהחומר הביולוגי האהוב עלי הוא בני בן הארבע.
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?
אבל כל מי שהיו לו או מכיר ילדים קטנים, יודע שהם אורגניזמים מאוד מורכבים. אז אם תרצו לשכנע אותם לעשות משהו שהם לא רוצים, זה מאוד קשה. אז כשחושבים על טכנולוגיות עתידיות, אנחנו חושבים על שימוש בבקטריות ווירוסים, אורגניזמים פשוטים. האם תוכלו לשכנע אותם לעבוד עם כלים חדשים, כך שהם יוכלו לבנות מבנה שייהיה לי מועיל?
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.
וגם, אנחנו חושבים על טכנולוגיות עתידיות. אנחנו מתחילים עם הולדת כדור הארץ. בעיקרון, לקח מיליארדי שנים להגיע לחיים על כדור הארץ. ובמהירות רבה, הם הפכו לרב תאיים, הם יכלו להשתכפל, הם יכלו להשתמש בפוטוסינטזה כדרך לקבלת מקור אנרגיה. אבל רק לפני 500 מיליון שנה -- במהלך התקופה הקמברית -- שאורגניזמים באוקיינוס התחילו לייצר חומרים קשים. לפני כן כולם היו רכים, במבנה אוורירי. וזה היה בתקופה הזאת שהיתה כמות מוגדלת של סידן ברזל וסיליקון בסביבה. ואורגניזמים למדו איך לייצר חומרים קשים. וזה מה שאני רוצה להיות מסוגלת לעשות -- לשכנע את הביולוגיה לעבוד עם שאר הטבלה המחזורית.
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.
עכשיו אם תסתכלו על הביולוגיה, יש מבנים רבים כמו DNA ונוגדנים וחלבונים וריבוזומים ששמעתם עליהם שכבר מורכבים בקנה מידה ננומטרי. אז הטבע כבר נותן לנו מבנים ממש מעודנים בקנה מידה ננומטרי. מה אם נוכל לרתום אותם ולשכנע אותם לא להיות נוגדן שעושה משהו כמו איידס? אלא נוכל לשכנע אותם לבנות לנו תאים סולאריים? אז הנה כמה דוגמאות: אלה כמה קונכיות טבעיות. הם חומרים ביולוגיים טבעיים. קונכית האבלוני כאן -- ואם תשברו אותה, תוכלו לראות שהמבנה שלה ננומטרי. יש דיאטומים שעשויים מסיליקון דו חמצני, ויש בקטריות מגנטוטקטיות שיוצרות מגנטים קטנים חד קוטביים לניווט. מה שמשותף לכל אלה זה שהחומרים בנויים בקנה מידה ננומטרי, ויש להם רצף DNA שמקודד לרצף חלבונים, שנותן להם את התוכנית להיות מסוגלים לבנות את המבנים המופלאים האלה. עכשיו, בחזרה לקונכיית האבלוני, האבלוני מייצרת את הקונכיה הזאת מפני שיש לה את החלבונים האלה. החלבונים האלה טעונים מאוד במטען שלילי. והם יכולים לשאוב סידן מהסביבה, להניח שכבה של סידן ואז פחמה, סידן ופחמה. יש לו את הסידור הכימי של חומצות אמינו שאומר, "ככה בונים את המבנה. הנה מבנה הDNA, הנה רצף החלבונים כדי לעשות את זה." אז רעיון מעניין הוא, מה אם תוכלו לקחת כל חומר שתרצו, או כל יסוד מהטבלה המחזורית, ותמצאו את רצף הDNA המתאים שלו, ואז לקודד אותו לרצף חלבונים מתאים כדי לבנות מבנה, אבל לא לבנות קונכיית אבלוני -- לבנות משהו אחר, באמצעות הטבע, שלא היתה לו הזדמנות לעבוד איתו עדיין.
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."
אז הנה הטבלה המחזורית. ואני ממש אוהבת את הטבלה המחזורית. כל שנה לכיתת הסטודנטים החדשים בMIT, אני עושה טבלה מחזורית שאומרת, "ברוכים הבאים לMIT. עכשיו אתם ביסוד שלכם."
(Laughter)
וכשהופכים אותה, אלה חומצות האמינו
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?'"
עם רמות החומציות בהן יש להן מטענים שונים. ואני מחלקת את אלה לאלפי אנשים. ואני יודעת שכתוב MIT, ופה זה קלטק, אבל יש לי כמה מיותרות אם מישהו רוצה אותן. והיה לי הרבה מזל שהנשיא אובמה ביקר במעבדה שלי השנה בביקור שלו בMIT, וממש רציתי לתת לו טבלה מחזורית. אז נשארתי ערה בלילה, ודיברתי עם בעלי, "איך אני יכולה לתת לנשיא אובמה טבלה מחזורית? מה אם הוא יגיד, 'או, כבר יש לי אחת.' או, 'כבר למדתי אותה בעל פה'?"
(Laughter)
אז הוא בא וביקר במעבדה שלי
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."
והסתכל מסביב -- זה היה ביקור נפלא. ואחרי זה, אמרתי, "אדוני, אני רוצה לתת לך את הטבלה המחזורית למקרה ותהיה בבעיה ותצטרך לחשב משקל מולקולרי."
(Laughter)
וחשבתי שמשקל מולקולרי נשפע הרבה פחות חנוני
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
ממסה מולרית.
(Laughter)
אז הוא הסתכל עליה,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
ואמר, "תודה רבה. אני אסתכל עליה במחזוריות."
(Laughter)
(צחוק)
(Applause)
(מחיאות כפיים)
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 ...
ומאוחר יותר בהרצאה שהוא נתן על אנרגיה נקיה, הוא שלף אותה החוצה ואמר, "ואנשים בMIT, הם מחלקים טבלאות מחזוריות."
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.
אז בעיקרון מה שלא אמרתי לכם זה שבערך לפני 500 מיליון שנה, אורגניזמים התחילו ליצור חומרים, אבל זה לקח להם 50 מיליון שנה להשתפר בזה. זה לקח להם 50 מיליון שנה ללמוד איך לשכלל את התהליך איך לייצר את קונכית האבלוני. ווקשה למכור את זה לדוקטורנט. "יש לי פרוייקט מעולה -- 50 מיליון שנה." אז היינו צריכים לפתח שיטה לנסות לעשות את זה מהר יותר. אז אנחנו משתמשים בוירוס שהוא לא רעיל שנקרא M13 בקטריופאג' שהעבודה שלו היא להדביק בקטריה. יש לו מבנה DNA פשוט שאתם יכולים לקחת ולחתוך ולהדביק רצפי DNA נוספים לתוכו. וכשעושים זאת, זה מאפשר לוירוס ליצר רצפי חלבונים אקראיים.
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.
וזו ביוטכנולוגיה פשוטה למדי. ובעקרון הייתם יכולים לעשות את זה מיליארד פעמים. ואז היו לכם מיליארדי וירוסים שונים שכולם זהים גנטית, אבל הם שונים אחד מהשני לפי הקצוות שלהם, ברצף אחד שמקודד לחלבון אחד. עכשיו אם תקחו את כל מיליארדי הוירוסים האלה, ותוכלו לשים אותם בטיפת נוזל אחת, תוכלו להכריח אותם לעבוד עם כל יסוד שתרצו בטבלה המחזורית. ודרך תהליך של ברירה אבולוציונית, תוכלו לשלוף אחד מתוך המיליארד שעושה משהו שאתם רוצים שיעשה, כמו לגדל סוללה או לגדל תא סולרי. אז בעיקרון, וירוסים לא יכולים לשכפל את עצמם, הם צריכים מארח.
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.
ברגע שאתם מוצאים את האחד מהמיליארד, אתם מדביקים בקטריה איתו, ויוצרים מיליונים ומיליארדים של עותקים של הרצף הספציפי הזה. ואז הדבר הנוסף שנפלא בביולוגיה זה שביולוגיה נותנת לנו מבנים מעודנים עם קשקשי קישור יפים. והוירוסים האלה הם ארוכים ודקים, ואנחנו יכולים לגרום להם להביע את היכולת לגדל משהו כמו מוליכים למחצה או חומרים לסוללות.
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.
עכשיו זו סוללה חזקה שגדלנו במעבדה. הינדסנו וירוס לאסוף ננו-צינוריות מפחמן. אז חלק אחד מהוירוס אוסף ננו-צינוריות מפחמן. לחלק האחר של הוירוס יש רצף שיכול לגדל חומרי אלקטרודה לסוללה. ואז הוא מחווט את עצמו לבקר הזרם. אז דרך תהליך של ברירה אבולוציונית, עברנו מוירוס שיצר סוללה עלובה לוירוס שמייצר סוללה טובה לוירוס שמייצר סוללה שוברת שיאים עם כוח גדול וכל זה נעשה בטמפרטורת החדר, בעקרון על שולחן העבודה. והסוללה הזו נסעה לבית הלבן למסיבת עיתונאים. הבאתי אותה לפה. אתם יכולים לראות אותה במארז הזה -- היא מפעילה את הLED הזה. עכשיו אם נוכל להגדיל אותה, תוכלו להשתמש בה בעצם להניע את הפריוס (טויוטה) שלכם. שזה החלום שלי -- לנהוג במכונית מונעת וירוסים.
(Laughter)
אבל זה בעיקרון --
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.
אתם יכולים להוציא אחת ממיליארד. אתם יכולים לעשות לה הרבה תיגבורים. בעיקרון, אתם יכולים לעשות את התיגבורים במעבדה. ואז אתם גורמים להם להרכיב את עצמם עצמאית למבנה כמו סוללה. אנחנו מסוגלים לעשות את זה גם עם מאיצים. זו דוגמה להפרדת מים עם פוטו-מאיץ. ומה שהיינו מסוגלים לעשות הוא להנדס וירוס בעיקרון לקחת מולקולות סופגות צבע ולסדר אותן על פני הוירוס כך שהוא יכול לשמש כאנטנה, ואתם מקבלים העברת אנרגיה על פני הוירוס. ואז אנחנו נותנים לו גן נוסף לגדל חומר לא אורגני שיכול לשמש להפרדת מים לחמצן ומימן, שאפשר להשתמש בו ליצור דלקים נקיים. והבאתי איתו דוגמה היום. הסטודנטים שלי הבטיחו לי שזה יעבוד. אלו ננוחוטים מורכבים מוירוסים. כשמאירים אור עליהם, אתם יכולים לראות אותם מבעבעים. במקרה הזה, אתם רואים בועות חמצן יוצאות החוצה.
(Applause)
ובעיקרון על ידי שליטה בגנים,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
אתם יכולים לשלוט במגוון חומרים כדי לשפר את ביצועי המכשיר. הדוגמה האחרונה היא תאים סולאריים.
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.
אתם יכולים לעשות את זה גם עם תאים סולאריים. הצלחנו להנדס וירוסים להרים ננו-צינוריות פחמן ואז לגדל תחמוצת טיטניום מסביבן -- ולהשתמש בזה כדי להעביר אלקטרונים דרך המכשיר. ומה שמצאנו הוא, שדרך הנדסה גנטית, אנחנו בעצם יכולים להגביר את הנצילות של התאים הסולאריים האלה למספרים שוברי שיאים לסוג זה של מערכות סינטוז-דיו. והבאתי גם אחד מאלה שאתם יכולים לשחק איתו בחוץ אחר כך. אז זה תא סולארי מבוסס וירוסים. דרך אבולוציה וברירה, הבאנו את התא הסולארי מנצילות של שמונה אחוזים לנצילות של 11 אחוזים.
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.
אז אני מקווה ששכנעתי אתכם שיש הרבה דברים מעניינים וגדולים ללמוד על איך הטבע יוצר חומרים -- ולקחת את זה לשלב הבא כדי לראות אם אפשר להכריח, או לנצל את הצורה בה הטבע יוצר חומרים, כדי ליצור דברים שהטבע עדיין לא חלם עליהם.
Thank you.
תודה רבה.
(Applause)