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.
Rozhodla som sa, že Vám trochu porozprávam o tom, ako príroda vytvára materiály. Priniesla som so sebou ustricovú mušľu. Táto ustricová mušľa je biokompozitný materiál, v ktorom 98 percent tvorí uhličitan vápenatý a dve percentá hmotnosti sú bielkoviny. A predsa, je 3000 krát pevnejší ako jeho geologický náprotivok. A mnoho ľudí používa štruktúry ako sú tieto ustricové mušle, ako kriedu. Bola som fascinovaná tým, ako príroda vytvára materiály, ale takejto vynikajúcej práci predchádza dlhá sekvencia. Sčasti preto, lebo tieto materiály sú štruktúrovo makroskopické, ale vznikajú v nanomierke. Sú tvorené v nanomierke, a využívajú bielkoviny, ktoré sú kódované podľa genetickej úrovne, ktorá im umožňuje vybudovať tieto naozaj nádherné štruktúry.
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?
Takže niečo, čo je podľa mňa veľmi fascinujúce je, čo keby ste mohli dať život neživej štruktúre, ako napr. batérii alebo solárnym článkom? Čo ak by tieto mali niektoré schopnosti rovnaké ako ustricové mušle, čo sa týka schopnosti vyrobiť naozaj nádherné štruktúry pri izbovej teplote a izbovom tlaku, používať netoxické chemické látky a nevypúšťať žiadne toxické materiály späť do prostredia? Tak toto je moja vízia. A čo ak by ste vedeli vypestovať batérie v Petriho miske? Alebo, čo ak by ste mohli dať genetickú informáciu batérii, a tá by sa mohla stať skutočne lepšou ako čas plynie, a naviac aj ekologicky šetrnejšou?
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.
Ale vráťme sa k tejto ustricovej mušli, okrem toho, že sú nanoštruktúrované, jedným z fascinujúcich faktov je, že keď sa samček a samička ustrice spoja, dochádza k prenosu genetickej informácie, ktorá hovorí: „Toto je spôsob, ako vybudovať vynikajúci materiál . Tu je návod, ako na to pri izbovej teplote a izbovom tlaku, za použitia netoxických materiálov.“ Rovnaké je to aj s rozsievkami, môžete ich vidieť priamo tu. Sú to priehľadné štruktúry. Zakaždým, keď sa rozsievky množia, predávajú si genetickú informáciu, ktorá hovorí: „Tu je návod, ako vyrobiť sklo v oceáne s dokonalou nanoštruktúrou. A vy môžete urobiť to isté, znova a znova.“ Takže, čo ak by ste mohli urobiť to isté so solárnymi článkami alebo batériami? Rada by som len povedala, že mojim obľúbeným biomateriálom je moje štvorročné dieťa.
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?
Ale každý, kto niekedy mal malé deti, alebo jednoducho deti pozná, vie, že vedia, že sú neuveriteľne zložitými organizmami. A tak, ak by ste ich chceli presvedčiť urobiť niečo, čo nechcú, je to veľmi ťažké. Takže, keď hovoríme o technológiách budúcnosti, máme vlastne na mysli používanie baktérií a vírusov, čiže jednoduchých organizmov. Dokážete ich presvedčiť, aby prácou s novým nástrojom postavili štruktúru, ktorá bude pre mňa dôležitá?
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.
Taktiež, myslíme na technológie budúcnosti. Začneme so začiatkom Zeme. Vytvorenie života na Zemi trvalo v podstate miliardy rokov. A veľmi rýchlo vznikli mnohobunkové organizmy, ktoré sa mohli množiť, mohli využívať fotosyntézu na získavanie potrebnej energie. Ale až pred 500 miliónmi rokov - v priebehu geologického obdobia Kambrium – začali organizmy v oceáne vyrábať tvrdé materiály. Pred tým boli všetky štruktúry mäkké a sypké. A práve počas tohto obdobia bol v okolitom prostredí zvýšený obsah vápnika, železa a kremíka. A organizmy sa naučili vyrábať tvrdé materiály. A to je to, čo by som chcela urobiť - presvedčiť biológiu pracovať so zvyškom periodickej tabuľky.
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.
Keď sa pozriete na biológiu, nájdete tam veľa štruktúr ako je DNA, protilátky, bielkoviny a ribozómy, o ktorých ste už počuli, a viete teda že sú nanoštruktúrované. Takže príroda nám naozaj ponúka nádherné štruktúry v nanomierke. Čo keby sme ich mohli využiť, a presvedčiť, aby neboli protilátkou, povedzme napr. HIV? Ale čo ak sme ich mohli presvedčiť, aby pre nás vybudovali solárny článok? Takže tu je niekoľko príkladov: toto sú niektoré prírodné mušle. Existujú prírodné biologické materiály. Táto ustricová mušľa - a ak ju zlomíte, môžete vidieť, že je nanoštruktúrovaná. Sú tu rozsievky vyrobené z SiO2, a tieto sú magnetotaktické baktérie, ktoré dokážu vyrobiť malé jednodoménové magnety používané na navigáciu. To, čo majú všetky tieto štruktúry spoločné je, že tieto materiály sú vytvorené v nanomierke, a majú DNA sekvenciu, ktorá kóduje proteínovú sekvenciu, ktorá im dáva plán, podľa ktorého môžu stavať tieto naozaj nádherné štruktúry. Vráťme sa späť k ustricovej mušli, ustrica vytvára túto mušľu práve týmito proteínmi. Tieto proteíny sú záporne nabité. Z okolitého prostredia dokážu vytiahnuť vápnik, vytvoriť vrstvu vápnika a umožniť proces karbonizácie, ďalšia vrstva vápnika a opätovná karbonizácia. To má chemickú sekvenciu aminokyselín, ktorá nesie odkaz: „Toto je spôsob, ako postaviť štruktúru. A na uskutočnenie toho, tu je DNA sekvencia a proteínová sekvencia.“ A tak zaujímavým nápadom je, čo keby ste mohli zobrať akýkoľvek materiál, alebo akýkoľvek prvok v periodickej tabuľke, a nájsť jemu zodpovedajúcu DNA sekvenciu, potom to okódovať pre zodpovedajúcu proteínovú sekvenciu, aby tá mohla postaviť štruktúru, ale nie ustricovú mušľu – postaviť niečo, prostredníctvom prírody, s čím ešte nikdy nemala príležitosť pracovať.
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."
A tu je periodická tabuľka. Milujem periodickú tabuľku. Každý rok pre študentov prvého ročníka nášho MIT inštitútu mám periodickú tabuľku, ktorá hovorí: „Vitajte na MIT. Teraz ste vo svojom živle.“
(Laughter)
A keď to prevrátite, na druhej strane sú aminokyseliny
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?'"
s rôznymi funkciami pri rôznom pH. A toto rozdávam tisícom ľudí. A viem, že je na nich napísané MIT, a toto je Caltech, ale mám zopár naviac, ak má niekto záujem. A mala som naozaj šťastie, že prezident Obama navštívil moje laboratórium tohoto roku pri jeho návšteve v MIT, a naozaj som mu chcela dať túto periodickú tabuľku. Tak som zostala hore dlho do noci, a rozprávala som sa s manželom, „Ako mám dať prezidentovi Obamovi periodickú tabuľku? Čo ak povie, 'Oh, už jednu mám,' alebo 'už to viem naspamäť'?“
(Laughter)
A tak prišiel na návštevu do laboratória
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."
a rozhliadol sa - bola to skvelá návšteva. A potom som povedala: „Pane, chcem vám dať periodickú tabuľku pre prípad, že raz uviaznete a budete potrebovať vypočítať molekulovú hmotnosť.“
(Laughter)
Myslela som si, že molekulová hmotnosť znie menej hlúpo
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
ako molárna hmotnosť.
(Laughter)
A tak sa na to pozrel,
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
a povedal: „Ďakujem. Budem sa na to periodicky pozerať.“
(Laughter)
(Smiech)
(Applause)
(Potlesk).
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 ...
A neskôr na jeho prednáške o čistej energii, vytiahol túto tabuľku a povedal: „A ľudia v MIT rozdávajú periodické tabuľky.“
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.
Takže v podstate to, čo som vám nepovedala je, že asi pred 500 miliónmi rokov, organizmy začali vyrábať materiály, ale to, aby v tom boli naozaj dobrí, im trvalo asi 50 miliónov rokov. Trvalo im asi 50 miliónov rokov, kým sa zdokonalili vo výrobe tejto ustricovej mušle. A toto je ťažké predať absolventom škôl. „Mám tento skvelý projekt – 50 miliónov rokov“. A tak sme museli vyvinúť spôsob, ako to urobiť rýchlejšie. Použili sme vírus, ide o nejedovatý vírus zvaný M13 bakteriofág, ktorého úlohou je infikovať baktérie. Má jednoduchú DNA štruktúru, takže môžete skopírovať a vložiť do nej ďalšie DNA sekvencie. A práve táto činnosť umožňuje vírusu vytlačiť náhodné proteínové sekvencie.
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.
A toto je celkom jednoduchá biotechnológia. A mohli by ste to v podstate urobiť miliárdkrát. Takže môžete mať miliardu rôznych vírusov, ktoré sú geneticky zhodné, ale líšia sa od seba jednou sekvenciou kódujúcou jednu bielkovinu na základe vlastného výberu. Ak vezmete celú miliardu vírusov, a vložíte ich do jednej kvapky tekutiny, môžete ich prinútiť k interakcii podľa vlastného želania s akýmkoľvek prvkom z periodickej tabuľky. A prostredníctvom selektívneho procesu evolúcie môžete dosiahnuť to, že jeden z miliardy urobí to, čo chcete, ako napríklad vyrobiť batériu alebo solárny článok. Takže, vírusy sa v podstate nemôžu replikovať samé, potrebujú hostiteľa.
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.
Akonáhle zistíte, že jednému z miliardy sa to podarilo, infikujete ním baktériu, a urobíte milióny a miliardy kópií tejto konkrétnej sekvencie. A teda ďalšia vec, ktorá je na biológii krásna je to, že biológia vám dáva naozaj nádherné štruktúry s rovnomernou stupnicou. A tieto vírusy sú dlhé a tenké, a my môžeme dosiahnuť to, že vyjadria schopnosť vyrobiť niečo, ako napr. polovodiče alebo materiály pre batérie.
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.
Toto je vysoko výkonný akumulátor, ktorý sme vyrobili v mojom laboratóriu. Vyrobili sme vírus schopný naberať uhlíkové nanotrubice. Takže jedna časť vírusu zachytáva uhlíkové nanotrubice. Druhá časť vírusu má schopnosť, ktorá spôsobuje rast elektródového materiálu pre batériu. A potom sa sám napojí na prúdový zberač. A tak, prostredníctvom procesu výberovej evolúcie, sme prešli od vírusu, ktorý vyrobil mizernú batériu cez vírus, ktorý vyrobil dobrú batériu až k vírusu, ktorý vyrobil rekordy lámajúcu vysoko výkonnú batériu, a to všetko pri izbovej teplote, v podstate na povrchu stola. A potom táto batéria putovala do Bieleho domu na tlačovú konferenciu. Priniesla som ju aj tu. V tomto prípade rozsvecuje túto LED diódu. Ak by sme ju mohli vyrobiť vo väčšej veľkosti, mohli by ste ju skutočne použiť na poháňanie vášho auta Prius, čo je mojím snom - byť schopný riadiť vírusom poháňané auto.
(Laughter)
Ale v podstate -
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.
môže sa vám to podariť na jednom z miliardy. A k tomu môžete urobiť veľa vylepšení. Vylepšenie v podstate urobíte v laboratóriu. A potom to môžete prinútiť sa samozostaviť do štruktúry batérie. Sme schopní to urobiť aj s katalýzou. Toto je príklad fotokatalytického štiepenia vody. Podarilo sa nám usmerniť vírus, tak aby zachytil farbivo absorbujúce molekuly a zoskupiť ich na povrchu vírusu tak, že fungujú ako anténa, a tým dochádza k prenosu energie cez vírus. A potom sme im pridali druhý gén na rast anorganického materiálu, ktorý môže byť použitý na rozštiepenie vody na kyslík a vodík, ktoré môžu byť použité pre čisté palivá. Priniesla som dnešný vzor so sebou. Moji študenti sľúbili, že to bude fungovať. Jedná sa o vírusovozostavené nanovlákna. Keď na ne zasvietite svetlom, môžete ich vidieť bublať. V tomto prípade vidíte vychádzať bubliny kyslíka.
(Applause)
A v podstate kontrolovaním génov,
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
môžete využiť rôzne materiály pre zlepšenie výkonu zariadenia. Posledným príkladom sú solárne články.
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.
Môžete to tiež urobiť pomocou solárnych článkov. Podarilo sa nám pripraviť vírusy schopné zachytávať uhlíkové nanotrubice a následne spôsobiť rast oxidu titaničitého okolo nich - a používať ich ako spôsob, ako dostať elektróny cez zariadenia. A čo sme zistili je, že cez genetické inžinierstvo môžeme skutočne zvýšiť účinnosť týchto solárnych článkov na rekordné údaje pre tieto typy systémov citlivých na farbivo. A ja som priniesla jeden z nich, ktorý si potom môžete vyskúšať. Tak toto sú vírusové solárne články. Vývojom a výberom sme zo solárneho článku s 8 % účinnosťou vyrobili solárny článok s 11 % účinnosťou.
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.
Dúfam, že som vás presvedčila, že je treba preskúmať veľa fantastických a zaujímavých vecí, o tom, ako príroda vyrába materiály - a posunúť sa k ďalšiemu kroku, a tým je zisťovanie, či je možné si to vynútiť, alebo či je možné využiť spôsob, akým príroda vyrába materiály, na výrobu veci, o ktorých ešte ani sama príroda nesnívala.
Thank you.
Ďakujem.
(Applause)