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.
Eu pensei que deveria falar um pouco sobre como a natureza faz materiais. Eu trouxe comigo uma concha de um abalone. Esta concha do abalone é um compósito biológico que tem 98% de sua massa constituída por carbonato de cálcio e 2%, por massa protéica. No entanto, ele é 3.000 vezes mais resistente do que seu equivalente geológico. E muitas pessoas podem usar estruturas como a concha do abalone como giz. Eu tenho sido fascinada pelo modo como a natureza faz os materiais e existem muitos segredos de como eles fazem tão refinado trabalho. Parte dele é que estes materiais são estruturas macroscópicas, mas são formados na escala nanométrica. Eles são formados na escala nanométrica e eles usam proteínas que são codificadas pelo nível genético isto os permite construir estas estruturas realmente refinadas.
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?
Então, algo que eu penso ser muito fascinante é... e se você pudesse dar vida a estruturas inanimadas, tais como pilhas e células fotoelétricas? E se elas tivessem algumas das mesmas aptidões que a concha do abalone tem, em termos de serem capazes de gerarem estruturas realmente refinadas à temperatura e pressão ambientais, usando produtos químicos não-tóxicos e devolvendo ao ambiente estes materias não-tóxicos? Pois bem, esta é a visão que tenho tido das coisas. Então, e se você pudesse criar uma pilha numa placa de Petri? Ou ainda, se você pudesse incorporar informação genética à uma pilha de modo que ela pudesse se tornar mais eficiente em função do tempo, e fazer tudo isto de forma ecologicamente sustentável?
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.
Enfim, retornando à concha do abalone, como se não bastasse ela ser nanoestruturada, algo fascinante acontece quando um macho e uma fêmea abalone se encontram, eles passam adiante informação genética que diz: "Assim é como se constrói um material refinado. Aqui está como fazê-lo à temperatura e pressão ambientais, usando materiais inofensivos." O mesmo com as diatomáceas, que são mostradas aqui, e que são estruturas vítreas. Todas as vezes que as diatomáceas replicam, elas transmitem informações genéticas que dizem o seguinte: "Eis aqui como gerar vidro... no oceano e de forma perfeitamente nanoestruturada. E você pode fazer o mesmo, repetidas vezes." Então, e se você pudesse fazer a mesma coisa com uma célula fotoelétrica ou com uma pilha? Eu gosto de dizer que o meu biomaterial favorito são minhas crianças de quatro anos de idade.
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?
Alguém que já teve, ou conhece, crianças pequenas sabem que elas são organismos incrívelmente complexos. E isso, porque se você quiser convencê-las a fazerem algo que elas não querem fazer, é muito difícil. Então, quando nós pensamos em tecnologias futuras, nós pensamos, na verdade, em usar bactérias e vírus, organismos mais simples. Você pode convencê-los a trabalhar com uma nova caixa de ferramentas, assim, eles poderiam gerar uma estrutura que seria importante para mim.
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.
Além disso, nós pensamos sobre as tecnologias futuras. Começamos pela formação da Terra. Basicamente, levou um bilhão de anos para surgir vida na Terra. E muito rapidamente, ela se tornou multicelular, eles puderam replicar, eles puderam usar a fotossíntese como meio de obtenção de sua energia. Mas isto foi até cerca de 500 milhões de anos atrás -- durante o era geológica Cambriana -- quando os organismos no oceano começaram a fazer materiais resistentes. Antes disso, todos eles tinham estrutruras macias e fofas. E foi neste período que ocorreu um aumento de cálcio e ferro e sílica no ambiente. E os organismos aprenderam a fazer materias resistentes. E é isto o que eu gostaria de ser capaz de fazer -- convencer a biologia a trabalhar com os demais elementos 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.
Pois bem, quando você olha para a biologia, existem muitas estruturas como o DNA, anticorpos, proteínas e ribossomos, que vocês ouviram falar que já são nanoestruturados. Então, a natureza já nos deu estruturas realmente refinadas na escala nanométrica. E se nós pudéssemos aproveitá-las e convencê-las a ser não um anticorpo ou a não fazer como o HIV? Mas, se pudéssemos convencê-las a gerar células fotoelétricas para nós? Eis aqui alguns exemplos: estas são algumas conchas naturais. Existem aqui materias biológicos naturais. Aqui, a concha do abalone -- e se você quebrá-la, poderá observar o fato de que ela é nanoestruturada. Estas são diatomáceas constituídas por SiO2, e elas são bactérias magnetotáxicas que fazem pequenos ímãs de domínio único, usados para orientação. O que todos eles têm em comum é que estes materiais são montados em escala nanométrica e possuem uma sequência de DNA que codifica uma sequência protéica, que os fornece o padrão de montagem necessário para construir estas estruturas realmente maravilhosas. Agora, retornando para a concha do abalone, o abalone faz esta concha porque ele tem estas proteínas. Estas proteínas são bem carregadas negativamente. E elas podem assimilar o cálcio do ambiente, montam uma camada de cálcio, depois uma de carbonato, cálcio e carbonato. Elas têm as sequências químicas de aminoácidos que dizem: "Assim é que se constrói a estrutura. Eis aqui a sequência de DNA, eis aqui a seqüência de proteínas para que isto seja feito." E então, uma ideia interessante é: e se você pudesse pegar qualquer material que você quisesse, ou qualquer elemento da tabela periódica, e encontrar sua sequência de DNA correspondente, em seguida, codificá-la em uma sequência protéica correspondente, para criar uma estrutura, mas não uma concha de abalone -- criar algo que, por meio da natureza, ainda nunca houve a oportunidade de se trabalhar com ela.
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 então, eis aqui a tabela periódica. E eu absolutamente amo a tabela periódica. Todos os anos, na aula inagural para os calouros do MIT, Eu tenho pronta uma tabela periódica que diz: "Bem-vindo ao MIT. Agora você está em seu elemento."
(Laughter)
E você a vira, e aqui estão aminoácidos
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?'"
com os valores de pH nos quais eles possuem diferentes cargas. E eu também distribuo isto para milhares de pessoas. E eu sei que ela tem escrito MIT, e aqui é o Caltech... mas eu tenho algumas extras, caso alguém queira. E eu fiquei realmente feliz em receber a visita do presidente Obama em meu laboratório, este ano, em sua visita ao MIT, e eu realmente queria dar-lhe uma tabela periódica. Então, na noite anterior eu fiquei acordada e perguntei ao meu marido: "Como é que eu faço para dar, para o presidente Obama, uma tabela periódica? E se ele disser: 'Ah, mas eu já tenho uma' ou então: 'Eu já memorizei ela toda'?"
(Laughter)
E então, ele veio até meu laboratório
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."
viu os arredores -- foi uma grande visita. E então, eu finalmente disse: "Sir, eu gostaria de dar-lhe a tabela periódica caso o senhor se encontre em apuros e precise calcular um peso molecular."
(Laughter)
E imaginei que o termo 'peso-molecular' soaria menos 'nerd'
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
do que 'massa molar'.
(Laughter)
Então, ele olhou para ela
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
e disse: "Obrigado. Eu a consultarei 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 ...
E posteriormente, em uma palestra que ele deu sobre energias limpas, ele a tirou e disse: "E as pessoas no MIT, distribuem tabelas periódicas."
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.
Então, basicamente o que eu ainda não lhes disse é que cerca de 500 milhões de anos atrás, os organinsmos começaram a sintetizar materiais, mas levaram cerca de 50 milhões de anos para ficarem bons nisto. Eles levaram cerca de 50 milhões de anos aprendendo como fazer, como aperfeiçoar aquela concha do abalone. Ei, isto é 'difícil de vender' para um estudante de pós-graduação. "Eu tenho este projeto fantástico -- 50 milhões de anos." E então, nós temos que desenvolver um modo de fazer isto mais rapidamente. E então, nós usamos um vírus, um vírus não-tóxico chamado 'Bacteriófago M13' que tem como trabalho infectar bactérias. Bem, ele tem uma estrutura de DNA simples que você pode vir, cortar e colar a ela seqüências adicionais de DNA. E, fazendo-se isto, permite-se ao vírus que ele expresse seqüências protéicas aleatórias.
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.
E isto é uma biotecnologia muito fácil. E você pode basicamente fazer isto um bilhão de vezes. E assim você pode ir e ter um bilhão de diferentes vírus que são todos geneticamente idênticos mas diferem, entre si, em suas extremidades, em uma única seqüência que codifica uma proteína apenas. Agora, se você pegar todo o bilhão de vírus e você pode colocá-los em uma gota de um líquido, você pode forçá-los a interagir com qualquer coisa que você queria da tabela periódica. E através de um processo de seleção evolutiva, você pode pinçar um em um bilhão, e que faz algo que você gostaria que ele fizesse, como construir uma pilha ou uma células fotoelétrica. Então, basicamente, os vírus não se replicam sozinhos, eles precisam de um hospedeiro.
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.
Uma vez que você encontre um em um bilhão, você o introduz em uma bactéria, e você faz milhões e bilhões de cópias daquela seqüência particular. E assim, a outra coisa que é bonita sobre a biologia é que a biologia lhe oferece estruturas realmente requintadas com boas escalas de ligação. e estes vírus são compridos e magrelos, e nós podemos fazê-los expressar a capacidade de gerar algo como semicondutores ou materiais 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.
Agora, esta é uma pilha de alta-potência criada no meu laboratório. Nós construímos um vírus capaz de pegar nanotubos de carbono. Pois bem, uma parte do vírus agarra o nanotubo de carbono. E a outra parte do vírus tem uma seqüência que pode gerar um eletrodo para uma pilha. E depois ele o conecta, por si, ao coletor de corrente. E assim, através de um processo de seleção evolutiva, nós partimos de um vírus que fazia uma bateria horrível para um vírus que fazia uma boa bateria, (e depois) para um vírus que fazia uma bateria recordista, uma pilha de alta-potência tudo isto feito à temperatura ambiente, basicamente sobre a bancada (do laboratório) E aquela pilha foi para a Casa Branca, para uma conferência de imprensa. Eu trouxe ela aqui. Você pode vê-la neste estojo -- ela que está acendendo este LED. Agora, se nós pudermos escalonar isto, você poderia, na verdade, usá-la para fazer funcionar seu 'Prius', que é o meu sonho -- ser capaz de dirigir um carro movido a vírus.
(Laughter)
Basicamente --
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.
você pode pegar um em meio a um bilhão. Você pode fazer inúmeras amplificações dele. Basicamente, você faz uma amplificação no laboratório. E depois você consegue que ele faça a auto-montagem de uma estrutura como uma pilha. Nós podemos fazer isto também através de catálise. Este é um exemplo de separação fotocatalítica da água. E o que nós fomos capazes de fazer foi programar um vírus para basicamente incorporar moléculas absorventes de corante e alinhá-las sobre a superfície do vírus então, isto age como uma antena, e você consegue uma transferência de energia ao longo do vírus. E depois, nós inserimos um segundo gene para fazer crescer um material inorgânico que pode ser usado para separar água em oxigênio e hidrogênio, que podem ser usados como combustíveis limpos. E eu trouxe um exemplo disso comigo hoje. Meus alunos me prometeram que isto funcionaria. Estes são nano-fios montados por vírus. Quando você joga luz sobre eles, você pode vê-los borbulhando. Neste caso, você está vendo bolhas de oxigênio saindo.
(Applause)
E, basicamente, manipulando os genes,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
você pode controlar múltiplos materiais para melhorar o desempenho do seu aparelho. O último exemplo são as células fotoelétricas.
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.
Você também pode fazer isto com células fotoelétricas. Nós fomos capazes de engenhar os vírus para que eles pegassem nanotubos de carbono e depois, depositassem dióxido de titânio entorno deles -- e usar como meio para os elétrons passarem através do aparelho. E o que nós descobrimos é que, através da engenharia genética, nós podemos realmente aumentar a eficiência destas células fotoelétricas para gravar números para estes tipos de sistemas sensibilizados por corantes. E eu trouxe também um destes para que vocês possam depois brincar por aí. Então, esta é uma célula fotoelétrica baseada em um vírus. Através de evolução e seleção, nós a levamos de uma célula fotoelétrica com eficiência de 8% para uma célula com eficiência de 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.
Pois bem, eu espero ter convencido vocês de que existem muitas coisas admiráveis e interessantes para se aprender sobre como a natureza faz materiais -- e levar isto para um próximo passo para ver se você pode forçar, ou se você pode tirar proveito de como a natureza faz materiais, para fazer coisas que a natureza ainda nem sonhou em fazer.
Thank you.
Obrigada.
(Applause)