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.
Pensei em falar-vos um pouco de como a Natureza cria os materiais. Trouxe comigo uma concha de haliote. Esta concha é um material "biocompósito": 98% da massa é carbonato de cálcio e os restantes 2% são proteínas. Com esta constituição, é 3000 vezes mais resistente do que o carbonato de cálcio simples. E muitas pessoas usam estruturas como estas conchas, como o giz. Fascina-me saber como a Natureza cria estes materiais, e há muitos segredos para os criar de forma tão complexa. Um aspecto relevante é que estes materiais apresentam uma estrutura macroscópica, mas o processo de formação ocorre a uma "nano-escala". Estes materiais formam-se a uma "nano-escala", e usam proteínas, codificadas a nível genético, que lhes permite a criação destas estruturas complexas.
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?
Uma coisa que considero fascinante é o que aconteceria se pudéssemos dar vida a estruturas não-vivas, como pilhas, baterias, e células fotovoltaicas? Como seria se elas tivessam as mesmas capacidades que a concha de haliote, em termos de serem capazes de construir estruturas complexas à pressão e temperatura ambientes, usando materiais não-tóxicos e não poluindo o ambiente com resíduos tóxicos? Esta é a perspectiva que tenho aprofundado. E se fosse possível fazer crescer uma bateria numa placa de Petri? Ou se fosse possível passar informação genética para uma bateria, de forma a que ela pudesse melhorar o desempenho ao longo do tempo e fazer isso de forma amiga do 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.
Assim, voltando a esta concha de haliote, além da sua estrutura "nanoscópica", outro aspecto fascinante é que quando um haliote macho e uma haliote fêmea passam a informação genética, dizem: "É assim que se constrói um material complexo. "É assim que se faz, à pressão e temperatura ambientes, "utilizando materiais não tóxicos". O mesmo se passa com as diatomáceas, que são estruturas vítreas. Sempre que uma diatomácea se reproduz, a sua informação genética diz: "Aqui está a forma de construir vidro no oceano "com uma nano-estrutura perfeitamente definida. "E este processo é transferível, vezes sem conta." E se fosse possível fazer a mesma coisa com uma célula fotovoltaica ou com uma bateria?
But anyone who's ever had or knows small children knows,
Gosto de dizer que o meu biomaterial preferido é o meu filho de 4 anos.
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?
Todos os que conhecem crianças pequenas sabem que as crianças são organismos muito complexos. É muito difícil convencê-los a fazer algo que não queiram Assim, quando pensamos em tecnologias do futuro, e pensamos em utilizar bactérias, e e vírus, organismos simples. Conseguiremos convencê-los a trabalhar com outras matérias-primas, para construírem uma estrutura que seja importante para nós?
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.
Para projectar as tecnologias do futuro baseamo-nos no nascimento do nosso planeta, a Terra. Foram necessários mil milhões de anos para que a vida surgisse na Terra. Rapidamente, tornou-se multi-celular, pôde reproduzir-se, utilizou a fotossíntese como forma de obter energia mas foi só há cerca de 500 milhões de anos -- durante o Câmbrico -- que os organismos marinhos começaram a produzir materiais rígidos. Antes disso, os organismos marinhos apresentavam estruturas moles e fofas. Foi durante esse período, com grandes quantidades de cálcio, ferro e silício disponíveis no ambiente, que os organismos vivos aprenderam a produzir materiais rígidos. E é isto que eu pretendo fazer -- convencer os organismos vivos a trabalhar com o resto da Tabela Periódica.
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.
Na perspectiva da Biologia, há muitas estruturas como o ADN e anticorpos, proteínas e ribossomas -- de que já devem ter ouvido falar -- com uma estrutura "nanoscópica"; A Natureza apresenta muitas alternativas de estruturas nanoscópicas complexas. E se fosse possível "domesticá-las" convencê-las a não serem anticorpos que provocam algo indesejado como a SIDA/HIV? E se as conseguíssemos convencer a construir uma célula solar para nós? Aqui estão alguns exemplos: estas são conchas naturais materiais biológicos A concha do haliote -- se nós a quebrarmos, podemos constatar a sua nano-estrutura. Estas diatomáceas são essencialmente feitas de SiO2 e estas são bactérias com propriedades magnéticas que podem ser utilizadas para a navegação. Todas estas conchas têm em comum o facto de apresentarem uma nanoestrutura e terem uma sequência de ADN que codifica uma sequência de proteínas que lhes dá um plano, uma ordem de construção, que lhes permite contruir estas estruturas maravilhosas. Regressando à concha de haliote, o haliote produz estas conchas com proteínas Estas proteínas têm uma carga eléctrica negativa o que lhes permite "puxar", absorver, o cálcio do seu ambiente e criar alternadamente camadas de cálcio / carbonato / cálcio / carbonato, etc... O haliote tem uma sequência de aminoácidos que diz: "É assim que se constrói a concha. "Aqui está a sequência de ADN, aqui está a sequência de proteínas "para construir a concha". O que aconteceria se fosse possível escolher qualquer material, ou qualquer elemento da Tabela Periódica, encontrar a sua sequência de ADN, codificar a respectiva sequência de proteínas para construir uma estrutura -- não uma concha mas algo que nunca foi produzido -- de forma natural?
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."
Aqui está a Tabela Periódica. Acho a Tabela Periódica uma maravilha! Todos os anos, para receber os Caloiros no MIT, tenho uma Tabela Periódica que diz: "Bem-vindo ao MIT. Agora estás no teu elemento." (Risos)
(Laughter)
Do outro lado, uma tabela que indica
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?'"
as cargas dos aminoácidos para diferentes valores de pH. E distribuo estas Tabelas a milhares de alunos. Eu sei que estas Tabelas dizem "MIT", e que nós estamos no "CalTech", mas tenho mais algumas, se alguém as quiser... Tive muita sorte por o Presidente Obama visitar o meu laboratório, este ano. Quando ele visitou o MIT, eu queria mesmo dar-lhe uma Tabela Periódica. Por isso, durante a noite, perguntei ao meu marido: "-- Como vou dar uma Tabela Periódica ao Presidente Obama?" E se ele me diz: "- Oh, eu já tenho uma..."
(Laughter)
Ou: "-- Já a memorizei, obrigado!" (Risos)
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."
No dia seguinte, o Presidente Obama visitou o meu laboratório, -- foi uma ótima visita! -- e, no final, eu disse: "Sr. Presidente, quero dar-lhe uma Tabela Periódica "para numa dificuldade calcular o peso molecular".
(Laughter)
(Risos)
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
Pensei que "peso molecular" soaria menos técnico
(Laughter)
do que "massa molecular". (Risos)
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
Ele olhou para a Tabela Periódica e disse: "-- Obrigado. Vou olhar para ela periodicamente."
(Laughter)
(Risos)
(Applause)
(Aplausos)
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 ...
Mais tarde, o Presidente fez um discurso sobre "energia limpa", mostrou a Tabela Periódica e disse: "-- E as pessoas do MIT oferecem Tabelas Periódicas". (Risos)
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.
O que eu não vos disse é que os organismos começaram a construir conchas há 500 milhões de anos, mas demoraram cerca de 50 milhões de anos para serem bem sucedidos. Demoraram cerca de 50 milhões de anos a conseguirem perfeição na produção desta concha de haliote. Isto é difícil de explicar a um aluno: "este projecto é para fazer "em 50 milhões de anos"... (Risos) Temos que desenvolver uma forma de fazê-lo mais rapidamente. Utilizamos um vírus inofensivo chamado bacteriófago M13, cuja função é infectar bactérias, que tem uma estrutura de ADN simples que podemos cortar, e onde podemos inserir porções adicionais. Ao fazê-lo, permitimos ao vírus codificar estruturas aleatórias de proteínas.
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.
Esta é uma forma muito básica de biotecnologia. Podemos fazer isto milhões de vezes. Podemos ter milhões de variantes do mesmo vírus, geneticamente idênticas, diferindo uma das outras num pequeno detalhe, numa sequência que codifica uma proteína. Se tomarmos todas estas variantes, as colocarmos numa gota de um meio de crescimento, podemos forçá-las a interagir com os elementos que quisermos e, através de um processo de selecção, de evolução, podemos escolher de entre um milhão o que faz o que nós queremos, como produzir uma bateria ou uma célula foto-voltaica.
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.
Para que os vírus se possam replicar, eles precisam de um hospedeiro. Assim que identificamos o vírus, podemos usá-lo para infectar uma bactéria, e fazer milhões e milhões de cópias dessa sequência em particular. Uma coisa maravilhosa na biologia é que produz estruturas complexas com ligações entre diferentes escalas. Estes vírus são longos e finos pelo que podemos utilizá-los para produzir materiais como semicondutores ou componentes para baterias
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.
Esta é uma bateria que eu fiz crescer no meu laboratório. Criámos um vírus para montar nanotubos de carbono. De cada vez que o vírus encontra um nanotubo de carbono, a outra parte do vírus tem uma sequência que produz um material para o eléctrodo de uma bateria e que se liga ao colector. Através de um processo de selecção, conseguimos partir de um vírus que fazia uma bateria tosca e chegar a um vírus que faz uma boa bateria; uma bateria capaz de bater recordes, de alto desempenho, construída a temperatura ambiente, numa bancada de laboratório. Essa bateria foi à Casa Branca, para uma conferência de imprensa, e eu trouxe-a aqui, hoje. Podem vê-la nesta caixa -- produz electricidade para manter o LED aceso. Se fôssemos capazes de aumentar a escala desta bateria, poderíamos usá-la para alimentar um Prius -- é o meu sonho -- conduzir um carro eléctrico alimentado por um vírus.
(Laughter)
(Risos)
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.
Essencialmente, é este o princípio: podemos escolher um vírus num milhão e produzir inúmeras cópias... Podemos amplificar o processo, criar condições para auto-organização numa estrutura como uma bateria. Somos capazes de fazer isto com catalizadores. Isto é um exemplo de um separador catalítico de água. O que fomos capazes de fazer foi criar um vírus que absorve moléculas de pigmentos armazenando-as na superfície do vírus o que funciona como uma antena conseguindo um mecanismo de transferência de energia. Associamos um segundo gene que permite acumular um material inorgânico que pode ser utilizado para separar a água nos seus componentes, oxigénio e hidrogénio, e que pode ser utilizado para produzir combustível limpo. Trouxe um exemplo comigo, hoje. Os meus estudantes garantiram-me que iria funcionar. Isto são nanofilamentos criados por vírus. Quando os iluminamos, podemos vê-los borbulhar -- neste caso, vemos bolhas de oxigénio.
(Applause)
(Aplausos)
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
Através da manipulação dos genes, podemos controlar muitos materiais para melhorar o desempenho
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.
dos mais diversos dispositivos. O último exemplo: células foto-voltaicas, com que também podemos fazer isto. Conseguimos manipular vírus para utilizarem nanotubos de carbono e fazerem crescer dióxido de titânio à volta deles, o que permite obter electrões livres. Descobrimos que, através de manipulação genética, foi aumentar a eficiência destas células foto-voltaicas para valores recorde para estes tipos de sistemas. Cá está uma célula desse tipo que poderemos experimentar lá fora, daqui a pouco. Uma célula foto-voltaica produzida por vírus. Através de manipulação e selecção, conseguimos levar uma célula foto-voltaica com 8% de eficiência, a apresentar 11% de eficiência.
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.
Espero tê-los convencido de que há um grande número de coisas interessantíssimas a aprender sobre como alguns materiais são produzidos na Natureza e, no passo seguinte, compreender se somos capazes de usar a forma como a Natureza produz estes materiais,
Thank you.
para produzir materiais com que a Natureza nunca sonhou.
(Applause)
Obrigada! (Aplausos)