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.
Pamaniau, jog truputį pakalbėsiu apie tai, kaip gamta kuria medžiagas. Su savimi atsinešiau jūrinės ausinukės kriauklę. Ši jūrinės ausinukės kriauklė yra sudaryta iš natūralių medžiagų, 98 masės % kalcio karbonato ir 2 masės % baltymų. Vis dėlto ji 3,000 kartų tvirtesnė, nei jos geologinė kolega. Ir daugelis žmonių gali naudoti tokias struktūras kaip jūrinės ausinukės kriauklės, kaip kreida. Aš buvau sužavėta to, kaip gamta kuria medžiagas ir tame, kaip ji atlieka tokį rafinuotą darbą, yra labai daug nuoseklumo. Dalis to yra tai, kad šios medžiagos turi makroskopinę struktūrą, tačiau formuojamos nanoskalės lygyje. Jos formuojamos nanoskalės lygyje ir naudoja baltymus, kurie koduojami genetiniame lygmenyje, leidžiančiame jiems kurti šias tikrai rafinuotas struktūras.
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?
Taigi aš manau, kas galėtų būti labai žavinga yra, jei mes galėtume duoti gyvybę tokioms negyvoms struktūroms kaip baterijos ir saulės elementai. Kas jei jie turėtų kažkiek tokių pat sugebėjimų, kokių turėjo jūrinės ausinukės kriauklė, kalbant apie tokius sugebėjimus kaip statyti tikrai rafinuotas struktūras esant kambario temperatūrai, atmosferos slėgiui, nenaudojant jokių toksiškų chemikalų ir neteršiant gamtos jokiomis toksiškomis medžiagomis? Taigi tokia yra vizija, apie kurią galvojau. Ir kas jei galėtume išauginti bateriją Petri lėkštelėje? Arba, kas jei galėtum perduoti baterijai genetinę informaciją, kad ji taptų geresnė laiko atžvilgiu, ir tai padaryti ekologiniu būdu?
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.
Grįžtant prie jūrinės ausinukės be to, kad ji yra nano struktūros, žavi tai, kad kai jūrinių ausinukių patinas ir patelė susitinka, jie perduoda genetinę informaciją, kuri sako: "Taip reikia statyti rafinuotą medžiagą. Taip reikia statyti ją esant kambario temperatūrai ir atmosferos slėgiui nenaudojant toksinių medžiagų." Taip pat yra ir su titnagdumbliais, kurie parodyti štai čia ir yra stiklinės struktūros. Kiekvienąkart titnagdumbliams replikuojantis, jie perduoda genetinę informaciją, kuri sako: "Taip reikia vandenyne statyti stiklą, kuris puikiausiai nano-struktūrizuotas. Ir Jūs galite tai kartoti ir kartoti." Taigi kas jei galėtume taip daryti su saulės elementais ir baterijomis? Man patinka sakyti, kad mano mylimiausia biomedžiaga yra mano keturmetis.
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?
Tačiau bet kas turėjęs ar pažinojęs mažus vaikus žino, kad jie neįtikėtinai sudėtingi organizmai. Ir jei norėtum juos įtikinti daryti tai, ko jie nenori, būtų labai sunku. Taigi, kai mes mąstome apie ateities technologijas, mes iš tiesų galvojame apie bakterijų ir virusų, paprastų organizmų panaudojimą. Ar jūs galite juos įtikinti dirbti su nauja įrankių dėže, kad jie galėtų statyti man svarbias struktūras?
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.
Taip pat, mes galvojame apie ateities technologijas. Mes pradedame nuo Žemės atsiradimo. Iš esmės, kad Žemėje atsirastų gyvybė, prireikė milijardo metų. Ir labai greitai gyvybė tapo daugialąstelinė, galėjo replikuotis, fotosintetinti tam, kad gautų energijos. Tačiau tik prieš 500 milijonų metų -- per Kambro geologinį periodą -- vandenyno organizmai pradėjo kurti kietas medžiagas. Prieš tai jie visi buvo minkštos, purios struktūros. Kambro periodo metu aplinkoje padaugėjo ir kalcio, ir geležies, ir silicio. Organizmai išmoko gaminti kietas medžiagas. Būtent tai aš ir norėčiau mokėti -- įtikinti biologiją dirbti su likusia periodinės lentelės dalimi.
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.
Jei pažvelgtumėte į biologiją, yra daug struktūtų kaip DNR ar antikūniai ir baltymai, ir ribosomos, apie kuriuos esate girdėję, kurie jau yra nano-struktūrizuoti. Taigi gamta jau mums pateikia tikrai rafinuotas nanoskalės struktūras. Kas jei galėtume jas įkinkyti ir įtikinti nebebūti antikūniu, kuris daro kažką panašaus į ŽIV? Bet kas jei galėtume juos įtikinti gaminti mums saulės elementus? Taigi štai Jums keletas pavyzdžių: čia yra keletas natūralių kriauklių. Tai natūralios biologinės medžiagos. Jūrinės ausinukės kriauklė -- ir jei Jūs ją įskelsite, galite pamatyti, kad ji nano-struktūrizuota. Titnagdumbliai sudaryti iš silicio dioksido, jie - magnetotaktinės bakterijos, kurios gamina mažus, vieno domeno magnetus, kuriuos naudoja navigacijai. Ką jie visi turi bendro yra tai, kad šios medžiagos yra nanoskalės struktūros ir turi DNR seką, koduojančią baltymų seką, kuri suteikia jiems planą, įgalinantį statyti šias tikrai nuostabias struktūras. Grįžtant prie jūrinės ausinukės kriauklės, jūrinė ausinukė gamina šią kriauklę tam tikrų turimų baltymų dėka. Tie baltymai labai neigiamai įkrauti. Ir jie gali iš aplinkos savintis kalcį, dėti kalcio sluoksnį, tada karbonato, kalcio ir karbonato. Šie baltymai turi aminorūgščių seką, sakančią: "Taip reikia statyti struktūrą. Štai DNR seka, štai baltymų seka reikalingos tai padaryti." Ir įdomu tai, kad jei galėtume paimti kiekvieną medžiagą, kokios tik norėtume, arba bet kokį periodinės lentelės elementą, rasti atitinkamą DNR seką, užkoduoti ją reikiamai baltymų sekai tam, kad pastatytume struktūrą, tačiau ne jūrinės ausinukės kriauklę -- pastatyti kąnors, gamtos dėka, su kuo dar niekada neteko dirbti.
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."
Taigi štai periodinė lentelė. Aš labai myliu periodinę lentelę. Kasmet kiekvienai naujokų klasei MIT aš esu paruošusi periodinę lentelę, kuri sako: "Sveiki atvykę į MIT. Dabar Jūs savo elemente."
(Laughter)
Ir jūs galite ją apversti ir rasti aminorūgščių seką
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?'"
su pH vertėmis, kurioms esant jos turi skirtingus krūvius. Ir tokias lenteles aš duodu tūkstančiams žmonių. Ir žinau, jog ant jų parašyta MIT, o čia Caltech, tačiau turiu keletą papildomų lentelių, jei žmonės užsinorėtų. Ir man tikrai pasisekė, kad prezidentas Obama aplankė mano laboratoriją lankydamasis MIT, ir aš tikrai norėjau jam duoti periodinę lentelę. Taigi aš nemiegojau visą naktį ir kalbėjausi su savo vyru: "Kaip man prezidentui Obama duoti periodinę lentelę? Kas jei jis pasakys: 'O, aš jau turiu tokią,' arba: 'Aš jau ją moku mintinai'?"
(Laughter)
Taigi jis atvyko į mano laboratoriją,
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."
apsižvalgė -- tai buvo puikus vizitas. Ir po to, aš pasakiau: "Pone, norėjau Jums duoti periodine lentelę jei netyčia kada užstrigtumėte ir Jums reiktų suskaičiuoti molekulinę masę."
(Laughter)
Aš pamaniau kad molekulinė masė skamba ne taip moksliukiškai
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
kaip molinė masė.
(Laughter)
Jis pažvelgė į ją
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
ir tarė: "Ačiū. Aš periodiškai į ją žiūrėsiu."
(Laughter)
(Juokas)
(Applause)
(Plojimai)
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 ...
Vėliau, sakydamas paskaitą apie švarią energiją, jis išsitraukė ją ir pasakė: "Ir MIT žmonės, jie dalina periodines lenteles."
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.
Taigi iš esmės ko aš Jums nesakiau yra tai, kas maždaug pries 500 milijonus metų organizmai pradėjo kurti medžiagas, tačiau jiems prireikė apie 50 milijonų metų, kad jie taptų geri toje srityje. Jiems prireikė 50 milijonų metų, kad jie išmoktų idealiai gaminti jūrinės ausinukės kriauklę. Ir tai sunku įtikinti magistrantui. "Aš turiu nuostabų projektą -- 50 milijonų metų." Taigi mes atradome kelią viską atlikti greičiau. Mes naudojame virusą, netoksišką virusą, vadinamą M13 bakteriofagu, kurio darbas yra užkrėsti bakterijas. Jo paprasta DNR struktūra, kurios tam tikras dalis galima iškirpti arba tam tikras dalis įterpti Taip darant, virusas sintetina atsitiktines baltymų sekas.
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.
Tai pakankamai paprasta biotechnologija. Ir iš esmės tai galima atlikti milijardus kartų. Taigi galima turėti milijardą skirtingų virusų, kurie genetiškai identiški, tačiau skiriasi vienas nuo kito remiantis viena seka, kuri koduoja vieną baltymą. Paėmus milijardą virusų ir idėjus juos į lašą skysčio, galima priversti juos sąveikauti su bet kokiu periodinės lentelės elementu. Ir natūraliosios atrankos proceso metu gali ištraukti vieną iš milijardo, kuris darys kažką, ko tu norėsi, pavyzdžiui, augins bateriją ar saulės elementą. Iš esmės, virusai negali replikuotis, jiems reikia šeimininko.
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.
Kai tik randi tą vieną iš milijono, apkreti juo bakteriją ir taip gamini milijonus ir milijardus atitinkamos sekos kopijų. Kitas gražus su biologija susijęs dalykas yra tai, kad biologija kuria labai rafinuotas struktūras su įmantriomis jungčių skalėmis. Šie virusai ilgi ir ploni, mes galime juos priversti išreikšti galimybę gaminti kažką tokio kaip puslaidininkiai arba medžiagos baterijoms.
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.
Čia didelio galingumo baterija, kurią išauginome mano laboratorijoje. Mes privertėme virusą rinkti nanovamzdelius. Taigi viena viruso dalis griebia anglies nanovamzdelį. Kita viruso dalis turi seką, kuri gali baterijai užauginti elektrodo medžiagą. Ir tuomet ji prisijungia laidais prie srovės surinkėjo. Natūraliosios atrankos proceso metu mes pirmiausia sukūrėme virusą, gebantį kurti prastą bateriją, po to užprogramavome virusą kurti visai gerą bateriją ir galiausiai sikūrėme virusą, gebantį gaminti rekordus viršijančią, didelio galingumo bateriją, kuri visa gaminama esant kambario temperatūrai, iš esmės darbastalio viršuje. Ir baterija pateko į Baltuosius Rūmus, į spaudos konferenciją. Aš atsinešiau ją čia. Galite ją pamatyti šiame lagaminėlyje -- jos dėka šviečia ši LED lempa. Jei mums pavyktų padidinti visa tai, tokias baterijas galima būtų naudoti kaip energijos šaltinį Jūsų Toyota Prius automobiliui, kas yra mano svajonė -- vairuoti viruso varomą automobilį.
(Laughter)
Tačiau iš esmės --
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.
galite ištraukti vieną iš milijardo. Galite jam atlikti daugybę amplifikacijų. Iš esmės, amplifikaciją atlieki laboratorijoje. Ir tada jis pats susrenka į struktūrą kaip baterija. Mes galime taip elgtis ir su katalize. Pavyzdžiui, su fotokatalitiniu vandens skaidymu. Ką mes galėjome padaryti tai sukurti virusą, kuris iš esmės renka dažus/spalvas absorbuojančias molekules ir išrikiuoja jas viruso paviršiuje kaip anteną. Energija perduodama per virusą. Tada mes duodame antrą geną, kad užaugintų neorganinį metalą, kuris galėtų būti panaudotas vandens skaidymui į deguonį ir vandenilį, kuris gali būti panaudojamas švariam kurui. Aš atsinešiau su savimi pavyzdį. Mano studentai pažadėjo man, kad tai veiks. Čia iš virusų padaryti nanolaidai. Kai į juos švieti, gali matyti kaip jie burbuliuoja. Šiuo atveju, matote deguonies burbuliukus.
(Applause)
Iš esmės, kontroliuodami genus,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
galime kontroliuoti sudėtines medžiagas, kad pagerintume prietaiso veikimą. Paskutinis pavyzdys yra saulės elementai.
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.
Visa tai galima padaryti ir su saulės elementais. Mes galėjome sukurti virusus, kurie renka anglies nanovamzdelius ir išaugina titano dioksidą aplink juos -- būdas elektronams judėti per prietaisą. Ir ką mes sužinojome, kad genų inžinerijos dėka mes galime padidinti saulės elementų efektyvumą iki rekordinių skaičių naudodami šias dažams jautrias sistemas. Atsinešiau ir vieną tokį pavyzdį, su kuriuo galėsite vėliau lauke pažaisti. Čia virusiniu pagrindu sukurtas saulės elementas. Evoliucijos ir natūraliosios atrankos dėka mes padidinome saulės elemento efektyvumą nuo 8% 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.
Taigi tikiuosi, jog įtikinau Jus, kad yra daug nuostabių, įdomių dalykų, kuriuos galime sužinoti apie tai, kaip gamta gamina medžiagas -- kitas žingsnis - pažiūrėti ar galime tai pažaboti arba pasinaudoti tuo, kaip gamta gamina medžiagas, gamindami medžiagas, kurių gamta nė nesvajojo kurti.
Thank you.
Ačiū.
(Applause)