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.
Doğanın nasıl materyal yarattığı hakkında konuşabileceğimi düşündüm. Yanımda bir deniz kulağı kabuğu getirdim. Bu deniz kulağı kabuğu kütlece %98 kalsiyum karbonat ve %2 protein içeren bir biyokompozit. Yine de jeolojik benzerlerinden 3000 kat daha dayanıklı. Ve birçok insan deniz kulağı kabukları gibi yapıları tebeşir gibi kullanabilirler. Doğanın malzemeleri nasıl yaptığına hayran olmuştum, ve bu hassas işi nasıl yaptıklarının bir sürü sırrı var. Mesela bu malzemeler yapısal olarak makroskobikler, ama nano ölçekte oluşmuşlar. Nano ölçekte oluşmuşlar, ve onlara bu hassas yapıları oluşturmalarına yardım edecek genetik seviyede kodlanmış proteinleri kullanıyorlar.
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?
Ve büyüleyici bulduğum birşey şu ki ya bataryalar ve güneş pilleri gibi cansız yapılara yaşam verebilseydiniz? Ya deniz kulağı kabuğunun yapabildiği gibi ,yapabilmek derken, oda sıcaklığında ve basıncında hassas yapılar oluşturmak için toksik olmayan kimyasalları kullanıp ve toksik olmayan malzemeleri tekrar doğaya salabilselerdi? Bu benim düşündüğüm bir görüştü. Ya bir petri kabında pil yetiştirebilseydiniz? Ya da, ya bir pile genetik bilgi verebilseydiniz ve böylece zamanın bir fonksiyonu olarak daha iyi olabilirdi, ve bunu çevre dostu olacak şekilde yapabilseydiniz?
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.
Ve böylece, tekrar deniz kulağı kabuğuna dönersek nano ölçekte olmasının yanı sıra büyüleyici olan bir diğer özelliği, bir erkek ve dişi deniz kulağı yan yana geldiğinde, birbirlerine "Bu hassas bir yapı oluşturmanın yoludur. Oda sıcaklığı ve basıncında işte böyle yaparsın, toksik olmayan malzemeler kullanarak." diyen genetik bilgiyi aktarırlar. Diatomlarda da aynı, ki burada camdan yapılar olarak gösteriliyorlar. Diatomlar her çoğaldığında birbirlerine "İşte mükemmel bir nano-yapıda bir camı okyanusta inşa etmenin yolu budur. Ve bunu aynı şekilde tekrar tekrar yapabilirsin." diyen genetik bilgiyi aktarırlar. Yani ya aynı şeyi bir güneş pili ya da bataryada da yapabilseydiniz? Favori materyalimin 4 yaşımdaki halim olduğunu söylemek istiyorum.
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?
Çocuğu olanlar, ya da tanıyanlar onların inanılmaz karmaşık organizmalar olduğunu bilir Ve onları yapmak istemedikleri birşeyi yapmaya ikna etmek isterseniz, bu çok zordur. Gelecekteki teknoloji hakkında düşündüğümüz zaman aslında bakteri ve virüsü kullanmayı düşünüyoruz, basit organizmaları. Onları benim için önemli olacak bir yapı oluşturmaları için çalışmaya ikna edebilir misiniz?
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.
Aynı zamanda, gelecekteki teknolojiyi düşünürken, Dünya'nın başlangıcıyla başlıyoruz. Temelde, Dünya'da yaşamın oluşması bir milyar yıl aldı. Ve büyük bir hızla, çok hücreli oldular, çoğalabiliyorlardı, enerji kaynaklarını elde etmek için fotosentezi kullanabiliyorlardı. Ama bu 500 milyon yıl öncesine kadar gerçekleşmedi -- Kambriyen jeolojik zaman süreci boyunca -- okyanustaki bu organizmalar sert malzemeler üretmeye başladılar. Yumuşak ve kabarık olmadan önce. Ve bu zaman boyunca doğada kalsiyum, demir ve silikon artışı oldu. Ve organizmalar nasıl sert malzemeler yapacaklarını öğrendiler. İşte benim yapabilmeyi istediğim şey bu -- biyolojiyi periyodik tablonun geri kalanıyla çalışmaya ikna edebilmek.
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.
Şimdi, eğer biyolojiye bakarsanız, DNA, antikorlar, proteinler ve ribozomlar gibi var olduğunu bildiğiniz şeyler zaten nano-ölçekte. Yani doğa bize nanoölçekteki hassas yapıları zaten veriyor. Acaba onlari HIV gibi bir antikor olmadiklarina ikna etsek nasil olurdu? Yada onlari bizim icin gunes pilleri yapmaya ikna etsek? iste burada bazi ornekler var: Bunlar dogal kabuklar. bunlar dogal biyolojik maddeler Deniz kulagu kabuklari burda- ve eger kirabilirseniz bunlarin gercekte nano olcekli yap[lar oldugunu goreceksiniz. bunlar SiO2 (silica) dan yapilmis diatomlar ve bunlar yon bulmak icin kucuk, tek alanli miknatislar yapan magnetotactic bakteriler bunlarin sahip olduklari ortak sey ise butun bu yapilarin ve mlzemelerin nano olcekte olmasi ve protein dizisi uretmek icin bir DNA dizisine sahip olmalari Bu DNA dizisi onlara bu mukemmel yapilari insa etmek icin gerekli plani sagliyor. Simdi, deniz kulagi kabuguna geri donelim, deniz kulagi bu proteinle sayesinde bu kabugu yapabiliyor. Bu proteinler eksi yukle yuklenmis. ve cevredeki kalsiyumu (Ca +2) kendilerine cekebilyorlar bir sira kalsiyum, bir sira karbonat koyuyorlar, kalsiyum ve karbonat ve bu sekilde devam ediyor. onun amino asitlerinin kimyasal sirasi ona "iste kabugu bu sekilde yapacaksin" diye soyluyor. Yapman icin iste DNA dizilisi, iste protein dizilisi. Ve boylece baska bir ilginc fikir olusuyor, Acaba istediginiz herhangi bir maddeyi yada periodik tabladaki herhangi bir elementi alip ona ait DNA dizilisini bulsak ve bu dizilisile ona maddeye ait protein dizilisini kodlasak, ve boylece deniz kulagindan baska bir yapi olustursak doğa yoluyl daha once hic calisilma firsati olmamis baska birsey insa etsek.
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."
Ve burda periyodik tablo var. Ben periyodik tabloyu kesinlikle cok seviyorum. Her sene MIT ye yeni gelen ogrenciler icin soyle diyen bir periyodik tablo hazirladim: MIT ye hosgeldiniz. Simdi elementinizlesiniz.
(Laughter)
ve tabloyu dondurduklerinde degisik PH degerliklerindeki
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?'"
degisik elektrik yuklu aminoasitkeri goruyorlar. bunu simdiye kadar binlerce ogrenciye dagittim. Biliyorum burasi Caltech, ve biliyorum tablonun uzerinde MIT yaziyor ama isteyen olursa yanimda fazladan bir kac tane var. bu yil Baskan Obama MIT i ziyaret ettigi sirada benim labaratuarimi ziyaret ettigim icin gercekten cok sansliydim. Ve O'na gercekten bir periyodik tablo hediye etmek istiyordum. Bunu butun gece dusundum, esimle konustum "Baskan Obama'ya periyodik tabloyu nasil verebilirim?" Ya " aa ben de bir tane var" derse yada "ben onu zaten ezbere biliyorum" derse?
(Laughter)
Ve ziyaret zamani geldi
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."
gercekten cok guzel bir ziyaretti ve sonra ben soyle dedim "Efendim, Eger zor durumda kalir ve molekül ağırlığıni hesap etme ihtiyaciniz olur diye size periyodik tablo vermek istiyorum. "
(Laughter)
molekül ağırlığın mol agirligina gore daha az inek
I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."
olur diye dusundum.
(Laughter)
Baskan tabloya bakti
And he looked at it and said, "Thank you. I'll look at it periodically."
ve soyle dedi: "tesekkur ederim, periyodik olarak kullanicam"
(Laughter)
(Gulusmeler)
(Applause)
(Alkis)
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 ...
Daha sonra temiz enerji konusunda bir konusma yapti ve ona verdigim periodik tabloyu cikartip: "MIT deki insanlar periyodik tablo veriyor" dedi.
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.
Yani temel olarak size soylemedigim su ki Organizmalarin maddeleri yapmaya baslamasi yaklasik 500 milyon yil once fakat bu iste iyi olmalari onlarin 50 milyon senelerini almis. Organizmalar 50 milyon senelerini mukemmel bir deniz kulagi yapmayi ogrenmek icin vermisler. ve bunu bir yuksek lisans ogrencisine anlatmak cok zor. "Senin icin mukemmel bir projem var-50 milyon senelik" iste bu yuzden bizim bunu daha cabuk yapavak bir yol gelistirmemiz gerekli. bu yuzden biz non-toxic M13 bakteriofaj denilen ve gorevi bakteriyi enfekte etmek olan bir virus kullaniyoruz. onun basit bir DNA yapisi var ve siz baska DNA dizilerini onun DNA sina kesip yapistirabiirsiniz. Bu sekilde virus rastgele protein dizilerini nakil edebilir.
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.
bu cok basit bir biyoteknoloji. Ve bunu isterseni milyarlarca kere yapabilirsiniz. Buna devam ediyorsunuz ve genetik yapisi ayni olan milyarlarca virus elde ediyorsunuz.. fakat sadece bir protein dizilisini saglayan kodlari farkli. simdibu milyarlarca virusu bir damla sivinin icine koysak onlari periyodik tabla uzerindeki istediginiz herhangi bir element ile etkilesmeye zorlayabilir ve seleksiyon evriminin isleyisine gore sizin hosunuza giden bir tanesini bu milarlarca virusun icinden cekip alabiliriz. bu sanki bir pil yada gunes pil yetistirmeye benziyor. basitce, virusler kendi kendilerine cogalamazlar. onlara bir ev sahibi gereklidir.
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.
Ne zaman aradiginiz isi yapan virusu bir milyarin icinde buldunuz onu bir bakteriye enfekte edersiniz. ve ondan belli dizilisi olan milyonlarca ve milyarlarca kopya elde etmis olursunuz. Biolojinin diger bir guzelligi de size gercekten cok zarif yapilari uygun olcekteki baglantilari ile verir. bu virusler uzun ve ince bu ozelliklerini yariiletken maddeler yada piller icin materyeller elde etmekte kullanabiliriz.
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.
Iste bu gordugunuz laboratuvarda urettigimiz yuksek guclu bir pil. bir virusu karbon nanotupleri tutan bir muhendis haline getirdik. yani virusuun bir kismi karbon nanotubleri tutarken diger kismi pil icin gerekli materyeli uretecek diziye sahip. materyal buyudukce akim iletkeninin uzerinde bir tel seklini aliyor secici evrim sayesinde siradan bir pil insa eden virusten kaliteli pil, yuksek guce sahip pil yapabilen bir virus elde ettik. ve bunlarin hepsi basit bir laboratuar tezgahinda ve oda sicakliginda yapildi. Bu yaptigimiz pil, Beyaz Sarayi bir basin toplantisi icin ziyaret etti. onu buraya da getirdim. iste bu gordugunuz LED isigini calistiran pil o pil. Eger bunun olculerini degistirirsek bunu Prius da (Toyota prius hibrid araba) kullanabilecesiniz ki virus gucu ile calitirilan bir araba benim hayallimdi.
(Laughter)
ama bu basitce
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.
milyarda birini cekip cikarmak. Bunu birçok ilâvelerle yapabilirsiniz. bu ilaveleri laboratuarda yapmaniz mumkun. daha sonra bu yapiyi birlestirip pil seklini veriyorsunuz. Bunu katalizorlerle de yapmaniz mumkun bu ornekte gordugunuz gibi bu suyun fotokatalik parcalanmasi. bunu su sekilde yapmayi basardik: virus boya emen molekulleri tutmasi icin dizayn edildi. ve bu molekuller virusun uzerine dizildi ve anten gibi davrandi boylece virus uzerinden enerji transferini sagladik. ve viruse suyu hidrijen ve oksijene ayiracak inorganik materyeli olusturmasi icin ikinci bir gen verdik. bu yapi temiz yakitlar icin kullanilabilir. Buraya bir ornegini getirdim. Ogrencilerim bana calisacagina dair soz verdiler. bunlar viruslerden olusmus nanoteller. uzerlerine isik tuttugumuda baloncuklar cikardiklarini goreceksiniz. oksiyen gazi olusuyor.
(Applause)
verilen geni kontrol ederek
Basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.
olusturdugunuz maddenin ozelliklerini cihazinizin performansi icin gelistirebilirsiniz. son ornegim gunes pilleri.
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.
bunu gunes pilleri icin de yapabilirsiniz. biz karbon nanotubleri tutacak virusleri olusturduk ve onlarin cevresine titanyum dioksit ile kapladik bu sayede aletten elektron akisini elde elebiliriz. ve anladik ki, gen muhendisligi ile boya hassasiyetli gunes pillerinin performansini arttirabilirsiniz. Size bunlardan da bir tane getirdim. Bunlarla birazdan goz atabilirsiniz. bu virus tabanli gunes pili. Seleksiyon ve evrim yolu ile biz % 8 performansligunes pillerini % 11 lik performansa cikartabildik.
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.
Umarim sizi pgrenilecek bircok mukemmel ve ilginc sey Ve dohanin nasil maddeleri yaptigi hakkinda ve eger zorlarsaniz bir sonraki basamaga gecebilecegimiz hakkinda yada doganin bile henuz yapmayi hayal edemedigi maddeleri insa etmek ve kullanmak konusunda ikna edebilmisimdir.
Thank you.
Teşekkür ederim.
(Applause)