TED日本語 - アンジェラ・ベルチャー: 自然を使って電池を育てる


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - アンジェラ・ベルチャー: 自然を使って電池を育てる

TED Talks

Using nature to grow batteries
Angela Belcher




I thought I would 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 sequence 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 nanoscale. They're formed at the nanoscale, and they use proteins that are coded by the genetic level that allow them to build these really exquisite structures.

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 non-toxic chemicals and adding no toxic materials back into the environment? So that's 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?

And so, going back to this abalone shell, besides being nano-structured,one thing that's fascinating, is when a male and a 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 non-toxic 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 nano-structured. 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.

But anyone who's ever had, or knows, small children knows they're incredibly complex organisms. And so 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 virus, simple organisms. Can you convince them to work with a new toolbox, so that they can build a structure that will be important to me?

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. And it was during this time that there was increased calcium and iron and silicon in the environment, and organisms learned how to make hard materials. And so that's what I would like be able to do -- convince biology to work with the rest of the periodic table.

Now if you look at biology, there's many structures like DNA and antibodies and proteins and ribosomes that you've heard about that are already nano-structured. So nature already gives us really exquisite structures on the nanoscale. What if we could harness them and convince them to not be an antibody that does something like HIV? But what if we could convince them to build a solar cell for us? So here are some examples: these are some natural shells.

There are natural biological materials. The abalone shell here -- and if you fracture it, you can look at the fact that it's nano-structured. There's diatoms made out of SIO2, and they're magnetotactic bacteria that make small, single-domain magnets used for navigation. What all these have in common is these materials are structured at the nanoscale, 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. And they can pull calcium out of the environment, 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." And so an interesting idea is, what if you could take any material that 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, through nature, it has never had the opportunity to work with yet.

And so here's the periodic table. And 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." 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. And 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 I 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'?" (Laughter) And 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." And I thought molecular weight sounded much less nerdy than molar mass. And so he looked at it, and he said, "Thank you. I'll look at it periodically." (Laughter) (Applause) And 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 basically what I didn't tell you is that about 500 million years ago, organisms starter making materials, but it took them about 50 million years to get good at it. It took them about 50 million years to learn how to perfect how to make that abalone shell. And that's a hard sell to a graduate student. (Laughter) "I have this great project -- 50 million years." And so we had to develop a way of trying to do this more rapidly. And so we use a virus that's a non-toxic virus called M13 bacteriophage that's 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.

And this is pretty easy biotechnology. And you could basically do this a billion times. And so you can go in and 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 you can 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 out of a billion that does something that you'd like it to do, like grow a battery or grow a solar cell.

So 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 you make millions and billions of copies of that particular sequence. And so the other thing that's beautiful about biology is that biology gives you really exquisite structures with nice link scales. And these viruses are long and skinny, and we can get them to express the ability to grow something like semiconductors or materials for batteries.

Now this is a high-powered battery that we grew in my lab. We engineered a virus to pick up carbon nanotubes. So 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 bench top. And that battery went to the White House for a press conference. 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 my dream -- to be able to drive a virus-powered car.

But it's basically -- you can pull one out of a billion. You can 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 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. And I brought an example with me of that 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. And basically, by controlling the genes, you can control multiple materials to improve your device performance.

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 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.

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 taking it the next step to see if you can force, or whether you can take advantage of how nature makes materials, to make things that nature hasn't yet dreamed of making.

Thank you.

自然界で物質はどう作られるのでしょう アワビの貝殻を持って来ました これは生物が作り出した材料です 質量の98%が 炭酸カルシウム 質量の2%が タンパク質で 生息環境にあるほかの物質より 3,000倍も頑丈にできています アワビの貝殻のような構造物は広く利用されています 例えば チョークです 自然界の物づくりは魅力的で その妙技から たくさんのことが学べます 例えば これは 肉眼で見える構造物ですが ナノスケールで 組み立てられています 遺伝子レベルでコード化されたタンパク質を使うことで 精巧な構造物を組み上げることができるのです

そこで 生命を持たない ― 例えば 太陽電池などの各種の電池に 命を持たせたらどうなるのか とても興味がわいてきます 生命を持たない物体が アワビの貝殻と同じ能力をもつ つまり 室温 大気圧下で 無害な化学物質を使って 精巧な構造物を作る能力をもち 有害な物質を 環境に出さないとしたらどうでしょう? そんなことを思い描いてきたのです シャーレで電池を育てられたら? 電池に遺伝情報を組み込んで 時間の経過とともに 進化させられたら? しかも環境に優しくできないか?

アワビの貝殻に話を戻しますが ナノ構造もそうですが もう一つ興味を引かれるのは アワビのオスとメスが協力して 遺伝情報を伝える点です 「精巧な物質は こう組み立てる」 「室温 大気圧下で こうやる」 「無害な材料で こうやる」 ケイ藻も同じです ガラスのような構造をしていて 分裂する時に 遺伝情報を伝えます 「完全なナノ構造のガラスを 海で組み上げるにはこうする」 「同じように繰り返せる」 太陽電池などの電池で 同じように できたらどうでしょう? 大好きなバイオマテリアルは 4歳の子です

育児経験者や よくご存知の方ならお分かりでしょうが 4歳の子どもは ややこしい生命体です 無理に何かをさせるのは とても大変です そこで 未来のテクノロジーについて検討する時 細菌やウイルスといった 原始的な生物の利用を考えます 新しいツールボックスを利用して 私たちにとって意味ある構造物を 作らせることが可能でしょうか?

未来のテクノロジーを検討するとき 地球誕生から考え始めます 地球に生命が生まれるまで 10億年かかりました 急速に多細胞化して 複製可能となり エネルギー供給手段として 光合成も可能になりました でも5億年ほど前 カンブリア紀に入ってようやく 海の生命が 堅い物質を作るようになりました それまでは 柔らかくふわっとしていたのです この時代 その環境には カルシウムと鉄とケイ素が 増えていました 生命体は堅い物質を作る方法を習得しました 私は これを実現したいのです 周期表の残りの元素を 生物に活用してもらうのです

生物をよく見ると DNAや抗体 タンパク質 リボゾームなど ナノ構造の物質はたくさんあります 自然界はナノスケールの 精巧な構造物を 用意してくれています HIVのような仕組みで ナノスケールの生体組織に 抗体を作らせないようにして 太陽電池を作らせるのは どうでしょう? これは自然界の貝殻です

自然界のバイオマテリアルです アワビの貝殻を割ってみると ナノ構造が見つかります 二酸化ケイ素で作られたケイ藻は 走磁性細菌といい 小さな単磁区を作って方向を判断します 共通点は ナノスケールで 組み上げられている点と タンパク質配列をコード化した DNA配列が すばらしい構造を作るための 設計図となっている点です アワビの貝殻は こういったタンパク質を使って貝殻を作っています タンパク質は負の電荷を帯びて 環境からカルシウムを取り込み カルシウムの層を作り 炭酸塩化することを繰り返します アミノ酸の化学的配列から指示が出ています 「こうやって作る」 「これが 実行するための ? DNA配列 タンパク質配列」 面白いアイデアがあります 所望の物質や元素を 組み上げるための DNA配列を見つけ出して アワビの貝殻ではなく 所望の構造物を作れるように タンパク質配列を コード化することで まだ利用されていない自然の力を利用するのです

こちらは 私の大好きな 周期表です 毎年 MITの新入生に配る周期表で こう書いてあります 「ようこそMITへ 得意分野(エレメント)を学ぼう」 裏には アミノ酸が記載されています 等電点も示してあります 何千もの人に配っています MITと書かれていますが こちらの大学でもお配りします オバマ大統領の MIT訪問時に 私の研究室にも 招くことになったので ぜひ周期表を渡したくて 夜遅くに夫に尋ねました 「どうやって周期表を渡したらいい? 持ってるとか 覚えてるとか 言われたらどうしよう」 大統領が研究室を訪れて 素晴らしい視察を終えた時 こう切り出しました 「周期表を差し上げます 緊急時に分子量を計算する必要があるかもしれませんから」 モル質量よりも分子量と言う方が オタクっぽくないかと ... 大統領は周期表を見て 「ありがとう 周期的に見るよ」 (笑) (拍手) 後日 大統領は クリーンエネルギーの講演で 周期表を出して言いました 「MITでは周期表をもらえる」

まだ言っていませんでしたが 5億年前 原始的な生命体が物質を作り始めましたが 上達まで5千万年かかりました アワビの貝殻の作り方を 5千万年かけて会得したのです 院生に求めるのは無理です 「すごいプロジェクトだけど 5千万年かかるの」 もっと迅速にやる方法を 開拓しなければなりません そこで 細菌に感染する 毒性の無いウイルスである M13バクテリオファージを使います DNAの構造がシンプルで DNA配列の切り貼りが 簡単にできます このようにウイルスを使って ランダムにタンパク質配列を発現させることができます

遺伝子工学としては簡単で 無数に繰り返すことができます 一種類のタンパク質を作る 一つの配列を除いて 同じ遺伝子をもつウイルスを 無数に 作ることができます その無数のウイルスを 一滴の液体に入れて 任意の元素と相互作用させます そして 選択と進化を経て 太陽電池の育成など所望の働きをするウイルスを 一つ選び出せます

ウイルスは自己複製できず宿主が必要ですから 膨大な中から一つ見つけたら 細菌に感染させて その特定の配列を 無数に複製させます 生物がすばらしいのは 精密で 精巧な構造物を作る点です こちらの長くて薄いウイルスに 発現能力を与えて 半導体や電池の材料を 育成させることができます

こちらは 私の研究室で育成している高出力電池です ウイルスを改良して 一部分でカーボンナノチューブを つかめるようにしてあって ほかの部分に 電池の 電極材料を育成する配列を組み込んであります さらに 電極材料を電流コレクタに接続します 選択と進化を経て 性能の悪い電池を作っていたウイルスが 性能の良い 記録的な高出力の電池を作るウイルスに変わりました すべて室温の実験台で作れます ホワイトハウスでの会見に持って行った電池が こちらです この箱の中で LEDを点灯させています もっと大きくできれば 実際にプリウスも 動かせるようになります ウイルス駆動車を運転するのが私の夢です

膨大な数の ウイルスから一つを抜き出して 大量に複製することができます 複製は実験室でできます そうやって 自己組織化させて 電池などを作らせるのです 触媒作用も利用できます これは 光触媒作用により 水が分離する例です これまでに可能になったのは ウイルスを改良して その表面に 色素吸着分子を並べて アンテナとして機能させ ウイルスを介してエネルギーを伝えることです 別の遺伝子には 水を 酸素と水素に 分解するような 無機材料を育成させます これでクリーンな燃料を作れます サンプルを持って来ました 学生は動くと言っていました ウイルスが作ったナノワイヤーが 中に入っていて 光を当てると泡立ちます このサンプルからは酸素の泡が発生します 遺伝子を操作することで デバイス性能を高める多様な材料を制御できます

最後の例は太陽電池です 太陽電池でも可能です ウイルスを改良して カーボンナノチューブの周りに 電子を輸送するための二酸化チタンを 成長させることが可能となりました 遺伝子工学により この太陽電池の効率は この種の色素増感型で実現されている 最高記録の効率にまで 到達しています 一つ持って来ましたので 後で 外に出て試してみてください ウイルス製の太陽電池です 選択と進化を経て 効率は 8パーセントから 11パーセントにすることができました

自然界の物づくりを知ること そして次のステップとして 自分で育成できるか確かめたり 自然界のやり方を 利用できるか確かめたりして 自然界に無い物質を作ることが とても重要で興味深いと分かっていただけたらうれしいです


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