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.
Ho pensato di parlarvi un po' di come la natura produca i materiali. Ho portato con me un abalone (haliotis, orecchia di mare). Questo abalone è un materiale biocomposto costituito al 98 per cento della massa da carbonato di calcio e al due per cento da proteine. Eppure, è 3000 volte più duro del suo equivalente geologico. E molte persone usano strutture simili all'abalone, tipo il gesso. Sono rimasta affascinata da come la natura produca materiali, e sono molti i segreti dietro un lavoro fatto così bene. In parte il motivo è che questi materiali hanno una struttura macroscopica, ma vengono formati su scala nanometrica. Sono formati su scala nanometrica, e usano le proteine che sono codificate al livello genetico e che permettono di costruire queste strutture davvero raffinate.
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?
Quindi ciò che penso sia molto affascinante è che cosa ne pensate se si potesse dar vita a strutture inanimate come le batterie o le celle solari? E se avessero alcune delle capacità che ha l'abalone, per quanto riguarda l'essere in grado di costruire strutture davvero raffinate a temperatura ambiente e pressione ambiente, usando composti chimici non tossici e senza immettere materiali tossici nell'ambiente? Allora, è questa l'idea su cui ho continuato a riflettere. E se si potesse far crescere una batteria in una capsula di Petri? O se si potesse dare dell'informazione genetica ad una batteria cosicché potrebbe addirittura migliorare nel tempo, e fare ciò in modo sostenibile per l'ambiente?
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.
E quindi, tornando all'abalone, oltre ad essere nano-strutturato, una cosa che è affascinante, è che quando un maschio ed una femmina di abalone di uniscono, inoltrano l'informazione genetica che dice "Ecco come si costruisce un materiale squisito. Ecco come farlo a temperature e pressione ambiente, senza usare materiali tossici." Lo stesso per le diatomee, mostrate qui, che sono strutture vetrose. Ogni volta che le diatomee si replicano, danno l'informazione genetica, la quale dice "Ecco come si costruisce il vetro nell'oceano un vetro che è perfettamente nano-strutturato. E lo si può fare identico ogni volta ripetutamente." E se potessimo fare la stessa cosa per una cella solare o una batteria? Mi piace dirla così, che il mio biomateriale preferito è mio figlio di 4 anni.
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?
Ma chiunque abbia mai avuto, o conosca, dei bambini piccoli sa che sono degli organismi incredibilmente complessi. E quindi se volete convincerli a fare qualcosa che non vogliono fare, è difficilissimo. Quindi quando immaginiamo le tecnologie del futuro, pensiamo davvero di usare batteri e virus, organismi semplici. Riuscite a convincerli a lavorare con una nuova cassetta degli attrezzi, cosicché possano costruire una struttura che sia utile a me?
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.
E poi, pensiamo alle tecnologie del futuro. Ma cominciamo dall'inizio, dai primordi della Terra. Praticamente, c'è voluto un miliardo di anni per avere la vita sulla Terra. E molto rapidamente, gli organismi diventarono multi-cellulari, impararono a replicarsi, a fare la fotosintesi come mezzo di approvvigionamento energetico. Ma non fu prima di 500 milioni di anni fa -- durante il periodo geologico Cambriano -- che gli organismi degli oceani cominciarono a produrre materiali duri. Prima di allora erano tutte strutture molli e soffici. E fu durante questo periodo che la concentrazione nell'ambiente di calcio, ferro e silicio aumentarono. E gli organismi impararono a produrre materiali duri. E quindi è questo quello che vorrei riuscire a fare -- convincere la biologia a lavorare con il resto della tavola periodica.
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.
Ora se date un'occhiata alla biologia, ci sono tante strutture come il DNA e gli anticorpi e le proteine e i ribosomi di cui avete sentito parlare e che sono delle nano-strutture. Quindi la natura ci dà già delle strutture davvero raffinate a livello nanoscopico. E se riuscissimo a sfruttarle e a convincerle non di essere un anticorpo che fa qualcosa come per l'HIV? Ma piuttosto se le potessimo convincere a costruire per noi una cella solare? Ecco qui alcuni esempi: queste sono conchiglie naturali. Ci sono materiali biologici naturali. Qui l'abalone -- e se lo si rompe, si può notare il fatto che è nano-strutturato. Ci sono diatomee fatte di SiO2 (ossido di silicio), e sono dei batteri magnetotattici che creano piccoli magneti a singolo dominio e li usano per navigare. Ciò che tutti questi hanno in comune è che questi materiali sono strutturati su scala nanometrica, ed hanno una sequenza di DNA che codifica una sequenza proteica, che rappresenta il disegno tecnico, il progetto, con le indicazioni per costruire queste strutture favolose. Ora, tornando all'abalone, l'abalone costruisce la conchiglia grazie a queste proteine. Queste proteine sono fortemente cariche negativamente. E possono estrarre il calcio dall'ambiente, fare uno strato di calcio e poi di carbonato, e poi calcio e carbonato ancora. Ha la sequenza chimica degli amminoacidi che dice: "Ecco come costruire la struttura. Ecco la sequenza di DNA, la sequenza proteica che ti dice come fare." E quindi è interessante l'idea per cui si vorrebbe scegliere un qualsiasi materiale, o un elemento qualsiasi della tavola periodica, e poter trovare la corrispondente sequenza di DNA, quindi codificarla per la sequenza proteica corrispondente per quindi costruire una struttura che non sia la conchiglia dell'abalone -- ma qualcosa su cui la natura non ha ancora mai avuto l'opportunità di lavorarci su.
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."
E allora ecco la tavola periodica degli elementi. E io amo da matti la tavola periodica. Ogni anno, per gli studenti entranti al MIT, faccio fare una tabella periodica che dice "Benvenuto al MIT. Ora sei nel tuo elemento."
(Laughter)
E se la giri, ci sono gli amminoacidi
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 il pH a cui hanno cariche diverse. Quindi, la distribuii a migliaia di persone. E lo so che dice MIT, e qui siamo a Caltech, ma ne ho alcune in più se qualcuno le vuole. E sono stata davvero fortunata quest'anno di ricevere il Presidente Obama durante la sua visita al MIT, e volevo proprio dargli una di queste tavole periodiche. E così sono rimasta sveglia la notte prima, e ho chiesto a mio marito "Come faccio a dare la tavola periodica al Presidente Obama? E se dicesse, 'Ah, ne ho già una' oppure 'La so già a memoria'?"
(Laughter)
Insomma, è venuto a visitare il mio 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."
ed è stata proprio una bella visita. E dopo, gli ho detto "Signor Presidente, vorrei donarle la tavola periodica, se mai lei dovesse calcolare il peso molecolare in una situazione difficile".
(Laughter)
E pensai che peso molecolare sembrava molto meno da secchioni
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
che non massa molare.
(Laughter)
E lui l'ha guardata,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
e ha detto "Grazie. Ci darò un'occhiata periodicamente."
(Laughter)
(Risate)
(Applause)
(Applausi)
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 ...
E in una lezione sulle energie pulite che fece successivamente, la tirò fuori e disse "E quelli del MIT, distribuiscono tavole periodiche."
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.
Beh, quindi quello che non vi ho detto è che circa 500 milioni di anni fa, gli organismi cominciarono a produrre materiali, ma ci vollero circa 50 milioni di anni affinché diventassero bravi in ciò. Ci vollero circa 50 milioni di anni affinché imparassero come perfezionarsi nel fare l'abalone. E questo fatto non viene visto di buon occhio da uno studente di dottorato. "Ho un progetto fantastico -- 50 milioni di anni." Quindi abbiamo dovuto sviluppare una maniera per provare a far ciò più rapidamente. Quindi usiamo un virus, un virus non nocivo che si chiama batteriofago M13 il cui compito è quello di infettare i batteri. Bene, ha una struttura del DNA semplice che si può manipolare con l'aggiunta di altre sequenze di DNA. E facendo ciò, si dice al virus di esprimere sequenze proteiche a caso.
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.
Tutto ciò e' biotecnologia di base. E si può far ciò praticamente miliardi di volte. Quindi si possono avere un milione di virus diversi che sono geneticamente identici, ma hanno di diverso un pezzetto, una sequenza che codifica una proteina. Ora se si prende questo milione di virus, e lo si mette in una goccia di liquido, li si può forzare ad interagire con qualsivoglia elemento della tavola periodica. E attraverso un processo di evoluzione selettiva, si può estrarre dal mucchio quello che fa quella cosa specifica che si desidera, come crescere un batterio, o una cella solare. Praticamente, i virus non possono replicarsi da soli, hanno bisogno di un ospite.
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 volta trovato quell'uno su un milione, lo si inocula in un batterio, e se ne fanno milioni e miliardi di copie di quella particolare sequenza. L'altra cosa bella della biologia è che la biologia ci dà davvero strutture eccezionali con buone relazioni tra grandezze diverse. E questi virus sono lunghi e sottili, e possiamo far sì che esprimano la capacità di crescere in modo che somiglino ai semiconduttori o ai materiali per le batterie.
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.
Ora questa è una batteria ad alta potenza che abbiamo fatto crescere nel mio laboratorio. Abbiamo progettato un virus che usa i nanotubi di carbonio. Quindi una parte del virus afferra il nanotubo di carbonio. L'altra parte del virus ha una sequenza che può far crescere un materiale che funge da elettrodo per la batteria. E poi crea le connessioni elettriche con il collettore di corrente. E quindi, tramite un processo di evoluzione selettiva, siamo passati dall'avere un virus che costruiva una batteria scadente ad un virus che faveca una buona batteria ad un virus che faceva una batteria ad alta potenza da record, tutto ciò fatto a temperatura ambiente, praticamente sul banco da lavoro. E quella batteria è andata alla Casa Bianca per una conferenza stampa. L'ho portata qui. In questo caso potete vedere che fa accendere un LED. Ora, se potessimo fare lo stesso su scala, si potrebbe usare per far alimentare la vostra Prius, che è il mio sogno -- poter guidare un auto alimentata da virus.
(Laughter)
Ma praticamente
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.
se ne può selezionare uno su un milione. Se può amplificare per molte volte. Praticamente, si può amplificare in laboratorio. E poi si può fare in modo che si auto-assembli per formare una struttura come una batteria. Riusciamo a far ciò anche con la catalisi. Ecco un esempio di scissione fotocatalitica dell'acqua. E siamo riusciti a progettare un virus che praticamente prende delle molecole che assorbono dei cromofori e le allinea sulla superficie del virus così che funziona da antenna, e si ottiene un trasferimento di energia lungo il virus. Successivamente possiamo dargli un secondo gene per fra crescere un materiale inorganico che può essere utilizzato per la scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno, che si può usare come carburante pulito. E oggi ho portato con me un esempio. I miei studenti mi hanno giurato che funziona. Questi sono dei fili nanometrici assemblati tramite virus. Quando li si espone alla luce, si possono vedere delle bollicine. In questo caso, state vedendo fuoriuscire delle bollicine di ossigeno.
(Applause)
E praticamente controllando i geni,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
si possono controllare molteplici materiali per migliorare le prestazioni del dispositivo. L'ultimo esempio sono le celle solari.
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.
Si può fare lo stesso con le celle solari. Siamo stati in grado di progettare dei virus che prendono i nanotubi di carbonio e poi ci fanno crescere dell'ossidio di titanio intorno -- e usarlo per ottenere elettroni attraverso il dispositivo. E abbiamo scoperto che, attraverso l'ingegneria genetica, possiamo davvero aumentare l'efficienza di queste celle solari fino a valori record per questo tipo di sistemi a pigmenti fotosensibili. E ho portato anche uno di questi con cui dopo ci potete sperimentare all'aperto. Quindi questa è una cella solare fatta con i virus. Attraverso l'evoluzione e la selezione, siamo passati da una cella solare con efficienza dell'8% ad una con efficienza dell'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.
Quindi spero di avervi convinto che si sono un sacco di cose fantastiche ed interessanti da imparare su come la natura faccia i materiali -- e portando il discorso al livello successivo -- per vedere se si può forzare, o se si può sfruttare il modo in cui la natura fa i materiali, per fare cose che la natura non ha ancora pensato di fare.
Thank you.
Grazie.
(Applause)