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.
Gondoltam egy kicsit arról beszélnék, hogyan csinál anyagokat a természet. Magammal hoztam egy tengeri csiga házát. Ez a csigaház egy biokompozit anyag tömegének 98 százaléka kalcium karbonát és két százaléka fehérje. Mégis, 3000-szer erősebb mint a geológiai megfelelője. Sok ember használ csigaház-szerű szerkezeteket, mint a kréta. Lenyűgözött, hogyan állítja elő a természet ezeket az anyagokat, és számtalan titok van akörül, hogyan végzi el e tökéletes munkákat. Egyrészről ezek az anyagok felépítésükben makroszkópikusak, de nanoszinten képződnek. Nanoszinten képződnek, és genetikailag kódolt fehérjéket használnak, hogy megépítsék ezeket a tökéletes struktúrákat.
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?
Ezért számomra lenyűgöző a gondolat, hogy mi lenne, ha életet tudnánk adni nem élő dolgoknak, mint pl. akkumulátoroknak és napelemeknek? Mi lenne, ha rendelkeznének olyan tulajdonságokkal, mint a csigaház is, abban az értelemben, hogy tökéletes dolgokat építenek, szobahőmérsékleten és normál nyomáson, nem mérgező anyagokból, és nem mérgező anyagokat juttatva vissza a környezetükbe? Ez hát a látomás amin gondolkodtam. Mi lenne, ha tudnánk elemeket növeszteni petri csészében? Vagy, mi lenne, ha genetikai információt adhatnánk az elemeknek, hogy időbeli hatékonyságuk megnőjön és ez környezetbarát módon történjen?
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.
És visszatérve a csigaházakra, amellett, hogy nano-struktúráltak, lenyűgöző az is, hogy mikor egy hím és egy nőstény csiga összejönnek, továbbadják a genetikai információt, ami azt mondja "Így kell tökéletes anyagot építeni szobahőmérsékleten és nyomáson, nem mérgező anyagokból." Ugyanígy a kovamoszatok is, amelyek páncéljai üvegszerű szerkezetek. Valahányszor a kovamoszatok osztódnak, átadják a genetikai információt, ami azt mondja, "Így kell üveget építeni az óceánban, amely nano-szinten tökéletesen struktúrált. És ezt megteheted újra és újra." Mi lenne hát, ha mi is megtehetnénk ugyanezt napelemekkel vagy akkumulátorokkal? Szoktam mondani, hogy a kedvenc bio-anyagom a négy éves gyermekem.
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?
Bárki, akinek van, vagy ismer kisgyermekeket tudja, hogy hihetetlenül komplex organizmusok. Ezért meggyőzni őket, hogy csináljanak valamit amit nem akarnak, nagyon bonyolult. Tehát ha a jövő technológiáiról gondolkodunk, akkor baktériumokra és vírusokra gondolunk, egyszerű szervezetekre. Rá tudjuk venni őket, hogy dolgozzanak egy új szerszámkészlettel, hogy létrehozhassanak egy szerkezetet, amely számomra fontos lesz?
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.
Ugyanígy, amikor a jövő technológiáiról gondolkodunk, a Föld keletkezésénél kell kezdenünk. Nagyjából egymilliárd évig tartott, amíg élőlények jelentek meg a Földön. Ezután azonban elég gyorsan soksejtűvé váltak, tudtak szaporodni, képessé váltak a fotoszintézisre, hogy energiát gyűjtsenek. De csak nagyjából 500 millió évvel ezelőtt -- a Kambrium időszak során -- kezdtek el kemény agyagokat előállítani. Azelőtt mind puha, képlékeny lények voltak. És ezalatt az idő alatt éppen növekedett a kalcium, a vas és a szilícium mennyisége a környezetben. És az élőlények megtanultak kemény anyagokat előállítani. És ez az, amire én képessé szeretnék válni -- meggyőzni a biológiát hogy dolgozzon a periódusos rendszer többi részével.
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.
Ha megnézitek a biológiát, sok olyan szerkezet van mint a DNS és az antitestek, a fehérjék és a riboszómák, melyekről tudhatod, hogy már nano-struktúráltak. Így a természet már adott nekünk tökéletes nano-méretű struktúrákat. Mi lenne, ha munkára fognánk őket és meggyőznénk, hogy ne antitestek legyenek ami olyasmit csinál mint a HIV? Hanem rávennénk őket, hogy napelemet építsenek nekünk? Itt van néhány példa: ezek természetes házak. Természetes biológiai anyagok. Itt a csigahéj - és ha eltöröd, láthatod, hogy nano-struktúrált. Ezek kovavázak szilicium-dioxidból, ezek magnetotaktikus baktériumok amik kis, egydoménes mágneseket használnak tájékozódásra. És ami ezekben közös az az, hogy ezek az anyagok nano-léptékben készülnek, s e lényeknek van egy DNS szakaszuk, ami egy fehérjeláncot kódol, s ez számukra egy tervrajz arra nézve, hogy hogyan építsék fel ezeket a csodálatos struktúrákat. Visszatérve most a csigaházakhoz, a csiga a házát ezekkel a fehérjékkel építi. Ezek a fehérjék erősen negatív töltésűek, és meg tudják kötni a kalciumot a környezetből, lerakva egy réteg kalciumot, aztán karbonátot, majd megint kalciumot és karbonátot. Megvan az a kémiai aminosav-sorrend, amely azt mondja: "Így építed fel a szerkezetet! Itt a DNS kód és a fehérje szerkezet, hogy meg tudd ezt tenni" Ezért érdekes az ötlet, hogy mi van, ha fogod az anyagot amit szeretnél, vagy a periódusos rendszer egy elemét, megkeresed a megfelelő DNS szakaszt, lefordítod aminosav-sorrendre, hogy kapj egy fehérjét, amely felépíti a szerkezetet. De ne csigaházat -- hanem valamit, amivel a természetben még nem volt alkalma dolgozni.
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."
Itt a periódusos rendszer. Én imádom a periódusos rendszert. Az MIT-n minden évben csináltatok a gólyáknak egy periódusos rendszert amin az áll "Üdvözlünk az MIT-n. Most már elemedben vagy."
(Laughter)
És ha megfordítod, ott vannak az aminosavak
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?'"
és a pH-értékek ahol különböző a töltésük. És ezt kiosztjuk emberek ezreinek. És tudom, hogy MIT van rajta, ez pedig a Caltech, de van nálam pár, ha valaki szeretne. Abban a szerencsében volt részem, hogy Obama elnök úr meglátogatott a laborban idén az MIT-n. Nagyon szerettem volna neki periódusos rendszert adni. Fentmaradtam éjszaka a férjemmel és arról beszéltünk, "Hogyan adjam át Obama elnök úrnak a periódusos rendszert?" Mi van, ha azt mondja "Ó, már megvan", vagy "Már bemagoltam?"
(Laughter)
Eljött tehát a laborba,
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."
és körülnézett - nagyszerű volt. Utána azt mondtam: "Uram, szeretnék adni egy periódusos rendszert, hátha egyszer égető szükségét érzi a molekulasúly-számításnak."
(Laughter)
Úgy gondoltam, hogy a molekulasúly sokkal kevésbé kocka,
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
mint a moláris tömeg.
(Laughter)
Ő ránézett,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
és azt mondta, "Köszönöm, majd elemezem."
(Laughter)
(Nevetés)
(Applause)
(Taps)
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 ...
Később egy előadáson, amit a tiszta energiáról tartott, előhúzta, és azt mondta: És a MIT- n azok az emberek periódusos táblázatokat osztogatnak."
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.
Szóval amit nem mondtam még, hogy 500 millió évvel ezelőtt az élőlények elkezdtek szilárd anyagokat gyártani, de közel 50 millió évükbe telt, hogy jók is legyenek benne. Közel 50 millió évükbe telt, hogy tökéletesítsék, hogyan készítsék el ezt a csigaházat. Ezt nehéz eladni egy végzős hallgatónak. "Itt ez a nagyszerű projekt -- 50 millió év..." Szóval meg kellett találnunk a módját, hogy gyorsabban boldoguljunk. Így hát egy vírust használunk, amely nem okoz bajt, úgy hívják, M13 bakteriofág, és baktériumokat fertőz. Egyszerű DNS-e van, melybe bele tudsz nyúlni: kivághatsz és bele illeszthetsz további DNS-szakaszokat. Ezáltal a vírus képes lesz véletlenszerű fehérjeláncot produkálni.
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.
Ez egy rém egyszerű biotechnológiai játék. Ezt egymilliárdszor megismétled. A végén lesz egymilliárd különböző vírusod, melyek genetikailag mind egyediek. de egymástól csak egy ponton különböznek: egy kis szakaszban, amely pont egy aminosavat kódol. Most fogod mind az egymilliárd vírusodat, beleteszed őket egy csepp folyadékba, és a periódusos rendszer bármelyik elemével érintkezésbe hozhatod őket. Majd szelekciós fejlesztés útján kiemelheted azt az egyet, amely olyasmit csinál, ami neked tetszik, pl. zseblámpaelemet vagy napelemet növeszt. A vírusok amúgy nem képesek lemásolni magukat, gazdasejtre van szükségük.
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.
Amikor megtaláltad azt az egyet a milliárdból, megfertőzöl vele egy baktériumot, s így készítesz kismillió másolatot abból a bizonyos DNS-szekvenciából. A másik csodás dolog a biológiában, hogy igazán tökéletes struktúrákat kínál neked. Ezek hosszú és kecses vírusok, amiket képessé tehetünk, hogy olyanná fejlődjenek, mint a félvezetők vagy az elektromos elemek anyagai.
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.
Íme, itt egy nagy teljesítményű elem, amelyet a laboromban növesztettünk. Terveztünk egy vírust, amely szén nanocsöveket vesz fel. A vírus egy része tart egy nanocsövet. A másik része rendelkezik egy utasítással, amely elektródanyagot képes növeszteni egy akkumulátor számára. És ezután beköti magát az aktuális kollektorba. Szelekciós fejlesztés útján eljutottunk egy vacak akkumulátort gyártó vírustól egy jó akkumulátort gyártóig, majd egy rekord teljesítményűig, mindezt szobahőmérsékleten, nagyjából az asztalon. Elküldtük az akkumulátort a Fehér Házba egy sajtótájékozatóra. És elhoztam ide is. És most láthatjátok, ettől világít ez a LED. Ha fel tudnánk nagyítani, akkor használhatnánk Prius meghajtására is, ami az álmom -- vírussal meghajtott autót vezetni.
(Laughter)
De alapvetően
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.
csak kiemelsz egyet a milliárdból. Kiegészítéseket csinálhatsz hozzá a laborban. Kiegészítéseket csinálhatsz hozzá a laborban, és ráveszed, hogy önszerveződjék akkumulátor-szerű struktúrává. Katalizátorral is megcsinálhatjuk ezt. Például víz fotokatalitikus bontásához. Sőt, képessé váltunk arra is, hogy vírusokkal összegyűjtsünk festékkötő molekulákat, ráhelyezzük ezeket a vírus felszínére, és ez úgy működik, mint egy antenna: energiát csapdázhatsz a vírussal. Majd adunk neki egy másik gént, hogy alkosson olyan szervetlen anyagot, amivel elbonthatja a vizet oxigénre és hidrogénre, ami tiszta üzemanyagként használható. Hoztam egy példát. A hallgatóim megígérték, hogy működni fog. Ezek vírus-alkotta nanovezetékek. Ha megvilágítod, látod, hogy bugyborékol. Ez esetben oxigén-buborékokat látsz távozni.
(Applause)
És végülis a géneket irányítva,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
több anyagot irányíthatsz, így fokozva eszközöd teljesítményét. A következő példa a napelemek.
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.
Megcsinálhatod mindezt napelemekkel is. Tudunk vírusokat tervezni, hogy nanocsöveket vegyenek fel majd titán-dioxidot növesztünk köréjük -- s így elektronokat nyerhetünk a készülékből. Azt találtuk, hogy genetikai tervezéssel rekord nagyságúra növelhetjük a napelemek teljesítményét amelyek ezeket a festékkötő vízbontó rendszereket ellátják. Hoztam egy ilyet is, ezzel majd odakint eljátszhattok. Szóval egy vírus-alapú napelem. Fejlesztéssel és szelekcióval 8%-os hatékonyságú napelemből 11%-os hatékonyságút fejlesztettünk.
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.
Remélem hát, hogy meggyőztelek titeket, nagyszerű és érdekes dolgot kell még megtudjunk arról, hogyan csinálja a természet ezeket az anyagokat -- és eljutni a következő lépésig, hogy megtudjuk, rávehető-e, vagy hasznosítható-e ahogyan ezeket az anyagokat a természet elkészíti hogy olyan dolgokat alkossunk, melyekről a természet
Thank you.
még csak nem is álmodott. Köszönöm.
(Applause)