Piedzīvojumi intelektuālajā rotaļu laukumā

Viens no aizraujošākajiem mirkļiem Andželas Belčeres profesionālajā dzīvē notika kārtējā laboratorijas apmeklējuma laikā 2009. gada ziemā. Divi viņas maģistrantūras studenti MIT Materiālzinātnes un inženierzinātņu katedrā mēģināja izmantot bioloģiskos instrumentus, lai izgatavotu materiālus akumulatoram. elektrodu. Viņi viņai parādīja Petri trauciņu, kurā bija vīruss, ko viņi bija izstrādājuši, lai saistīties ar materiāliem, pret kuriem tam parasti nebūtu nekādas afinitātes — dzelzs fosfātu un oglekļa nanocaurulēm. Vīruss bija glīti salicis abus materiālus sīkos vadiņos, kas darbotos tikpat labi kā komerciālo litija jonu akumulatoru elektrodi.





Andžela Belčere

Skolēniem tas bija daudzsološs rezultāts. Tomēr viņai tas bija kaut kas daudz lielāks — pārdrošas idejas realizācija, kuru viņa kādreiz bija atturējusi pat turpināt. Kad es sāku darboties, mans sapnis patiešām bija izmantot ģenētiku jeb DNS kontroli, lai padarītu nebioloģiskas ierīces labākas, nekā tās var izgatavot citos veidos. Tā bija ilgāka laika ideja, kas ir īsts debesīs, saka Belčere, kura stāsta, ka viņai joprojām ir drebuļi, stāstot šo stāstu. Tagad viņas skolēni šo mērķi faktiski bija sasnieguši: izdomājot vīrusa gēnus, viņi spēja ražot augstas veiktspējas elektrodu materiālu. Mēs bijām tur nokļuvuši ātrāk, nekā es gaidīju, viņa saka.

Šis laboratorijas darbs ar vīrusu audzētām baterijām noveda pie a papīrs iekšā Zinātne 2009. gadā un kaudzēm mediju uzmanību. Tomēr akumulatori ir tikai viens no iespējamajiem produktiem no jaunā rīku komplekta, ko Belcher ir bijis pionieris. Viņa izstrādā vīrusus un dažos gadījumos raugus, lai tie darbotos kā bioloģiskas rūpnīcas, kas ražo neorganiskus materiālus ar formām un struktūrām, kuras citādi būtu grūti izgatavot. Zīmuļveida vīrusi, kas inficē baktērijas, darbojas kā veidne vai sastatnes, uz kurām savāc nanodaļiņas. Vīrusi spēj salikt ļoti sakārtotus nanomēroga kristālus vai vadus, kas var būt noderīgi dažādos lietojumos.

Daudzas sadarbības rezultātā Belčere ir izmantojusi savus rīkus dažām no lielākajām sabiedrības problēmām enerģētikas, vides un medicīnas jomā. Viņa ir uzlabojusi saules bateriju veiktspēju un izstrādājusi katalizatorus, kas var sadalīt ūdeņradi no ūdens degvielas iegūšanai un pārvērst dabasgāzi rūpnieciskās ķīmiskās vielās. Viņas dibinātais uzņēmums nāca klajā ar jauniem veidiem, kā ražot materiālus skārienekrāna displejiem, un viņas laboratorija ir izstrādājusi raugu, lai pārvērstu oglekļa dioksīda atkritumus no spēkstacijām grīdas flīzēs. Enerģētikas profesore gan materiālzinātnes, gan bioloģiskās inženierijas nodaļās, viņa pievienojās MIT Deivida H. Koha Integratīvās vēža pētniecības institūtam 2010. gadā un sāka strādāt, lai izstrādātu arī vēža diagnostikas rīkus un ārstēšanas metodes. Pavisam nesen viņa ir sākusi izstrādāt materiālus, kas varētu attīrīt un atdalīt ūdeni no organiskajiem atkritumiem vai eļļas, un viņa ir sākusi strādāt pie litija-gaisa akumulatoriem elektriskajiem transportlīdzekļiem, kā arī enerģijas uzglabāšanas ierīcēm, ko sauc par superkondensatoriem.



Klasisks Eureka mirklis
Jāatzīmē, ka viņa to visu ir paveikusi līdz 46 gadu vecumam, un galu galā tas viss attiecas uz āliņģa jūras gliemezi.

Belčere, kura Kalifornijas Universitātē Santabarbarā izveidoja savu mācību programmu, apvienojot vairākas zinātnes jomas, aizrāvās ar āliņģi un izvēlējās to par savu priekšmetu, kad tajā pašā skolā ieguva doktora grādu ķīmijā. Viņai bija trīs doktora grāda padomdevēji — ķīmiķis, molekulārais biologs un fiziķis —, kuri rīkoja iknedēļas sanāksmes, lai palīdzētu viens otram pārvarēt atšķirības starp viņu jomām. Tādā veidā es apguvu zinātni, viņa saka. Man tas ir pilnīgi normāls veids, kā tuvināties pasaulei.

Belcher koncentrējās uz veidu, kā dzīvnieks veido čaumalu. Pērļgliemenes ražo olbaltumvielas, kas savienojas ar jūras ūdens kalcija un karbonāta joniem, veidojot sīku neorganisku kristālu rindas — viens veids ir ārējam apvalkam un otrs ārkārtīgi spēcīgam iekšējam apvalkam. Domājot par šo procesu, kad viņa kādu dienu no sava biroja skatījās uz okeānu, Belčere piedzīvoja klasisku herekas mirkli. Kad viņas skatiens novirzījās no loga uz periodisko elementu tabulu uz sienas, kas novietota augstu, lai neaizsegtu skatu, viņa prātoja, vai čaumalu proteīni, ko viņa bija izolējusi doktorantūras darbā, var radīt noderīgus materiālus, apvienojot tos ar citiem elementiem.



Es domāju, vai tas nebūtu interesanti pusvadītājos, ja jums būtu proteīns, kas veidotu vienu kristāla struktūru pret citu, un jūs to varētu izdarīt ar ģenētisko kontroli, saka Belčers. Tieši tad es sāku domāt par to, kā izstrādāt šo pusvadītāju ģenētisko kodu.

Angela Belcher laika skala

Šis dabas iedvesmots ieskats, ka ģenētiku varētu izmantot neorganisku materiālu ražošanai, ir novedis pie desmitiem zinātnisku publikāciju un reibinoši dažādu pētniecības projektu. Viņas apbalvojumu vidū ir MacArthur ģēnija stipendija 2004. gadā, ASV armijas atzinības balva un šī gada Lemelsona-MIT balva 500 000 USD vērtībā. Kad Baraks Obama 2009. gadā ieradās MIT un teica runu par enerģiju, Belčere informēja prezidenti par akumulatoru un saules pētniecību. (Viņa viņam arī iedeva nelielu kartiņu ar periodisko tabulu, sakot, ka tā varētu noderēt, ja kādreiz esat satraukts un jums ir jāaprēķina molekulmasa. Obamas atgriešanās: paldies. Es to periodiski apskatīšu. )

Zinātnieki ciena Belcheri par viņas drosmīgajām, plašām idejām un spēju panākt reālu progresu, pārvēršot tās praktiskos pielietojumos. Papildus savam akadēmiskajam darbam viņa ir līdzdibinājusi divus uzņēmumus - Cambrios , kas ražo materiālu, pamatojoties uz sudraba nanovadiem, kas nosaka pirkstu kustības skārienekrānos, un Siluria Technologies, kas ir izstrādājis katalītisko procesu dabasgāzes pārvēršanai etilēnā, ko var izmantot, lai izgatavotu materiālus, kas parasti iegūti no naftas. Viņa ir ļoti tālredzīga un ļoti daudzdisciplīnu, saka Seung-Wuk Lee, kurš strādāja ar Belcheru kā absolvents un tagad ir Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas fakultātes zinātnieks un Kalifornijas Universitātes Bērklijas bioinženierijas asociētais profesors. Viņa ir arī sava veida praktiska. Viņa var demonstrēt savas idejas tagad, nevis pēc 10 gadiem.



Netradicionāla pieeja
Septītās paaudzes teksasiete Belčere ieguva savu pirmo darbu ķīmijas un bioķīmijas profesores amatā Teksasas Universitātē Ostinā 1999. gadā. Izrādījās, ka tas bija labs laiks pētniecībai materiālu zinātnē un bioinženierijā: nanotehnoloģija bija daudzsološa. jaunā jomā, un dzīvības zinātniekiem bija pieejami jauni gēnu inženierijas instrumenti. Viņa sāka strādāt ar zīmuļveida bakteriofāgiem jeb fāgiem — dabā sastopamiem vīrusiem, kas inficē baktērijas. Katrs vīrusa gēns satur norādījumus, lai ražotu proteīnu, kas pārklāj tā virsmu. Pētnieki var mērķēt uz noteikta veida molekulām, izmantojot fāgu, kura konkrētais virsmas proteīns pieskaras tam — paņēmienu, kas parasti tika izmantots zāļu atklāšanai.

Vīrusa olbaltumvielas dabā nesaistās ar neorganiskiem materiāliem, taču Belčers vēlējās noskaidrot, vai tos varētu konstruēt tā. Tikai dažus mēnešus pēc kļūšanas par profesoru viņa uzrakstīja savu pirmo stipendijas piedāvājumu, lai pārbaudītu koncepciju, ko viņa pirmo reizi bija izstrādājusi savā birojā Santabarbarā: ka būtu iespējams izmantot vīrusu, lai saistīties ar pusvadītāju un saliktu pusvadītāju materiālu. vīruss iekļūst baktērijās. Viņa saņēma tikai divas atsauksmes no recenzentiem. Viens teica, ka tas varētu būt interesanti, bet Belheram nebija zinātniskas pieredzes, lai to izdarītu; otrs vienkārši rakstīja: VIŅA IR ĀRPRĀTA.

Lai arī Belčere bija sarūgtināta, viņa turpināja darbu, jo viņas pieredze ar āliņģi, kuras olbaltumvielas saistās ar neorganiskiem materiāliem, deva viņai pārliecību, ka tas varētu darboties. Viņa iztērēja dažus simtus dolāru, lai iegādātos flakonu ar fāgu kolekciju, kas izstrādāta ar nejaušiem DNS ieliktņiem, kas kodē pat vienu miljardu proteīnu. Izmantojot eksperimentu datus, viņa atkārtoti iesniedza savu dotācijas ideju, un to finansēja armija. Gada laikā pēc pirmā noraidījuma viņa publicēja a papīrs iekšā Daba demonstrējot, ka vīrusus var konstruēt, lai ražotu proteīnus, kas saistās ar pusvadītāju virsmām, kas ļautu būtībā audzēt materiālus elektronikai. Katrs vīruss darbojas kā veidne, piesaistot pusvadītāju kristālus, kas sakrīt ar olbaltumvielām, kas pārklāj vīrusu. Šis revolucionārais koncepcijas pierādījums lika pamatu visam inženiertehniskajam darbam, ko viņa ir veikusi kopš tā laika.



Izmantojot Belčera metodi, laboratorijas pētnieki pakļauj apmēram vienu miljardu vīrusa variantu tādam materiālam kā metāls vai pusvadītājs, identificējot un izolējot olbaltumvielas, kas tam vislabāk piesaistās. Pēc tam vīrusus, kas tos ražo, ievieto šķīdumā, kas satur baktērijas. Tās inficē baktērijas, kas veido miljoniem vīrusa kopiju un tā īpašās DNS sekvences. Visbeidzot tos ievada šķīdumā, kas satur interesējošo materiālu. Piemēram, vīrusu, kas stipri saistās ar zeltu, ievieto šķīdumā, kas satur zelta jonus. Zelts kristalizēsies gar vīrusa virsmu, atbilstoši proteīna formai uz tā apvalka.

Izmantojot gēnu inženieriju, zinātnieki modificē vīrusa DNS secību, lai vēl vairāk kontrolētu, kā tas saistās. Viņi var to pierunāt, lai savāktu vairākus materiālus, piemēram, zeltu un platīnu, vai arī kontrolēt vīrusa radīto struktūru formu, izvēloties, vai daļiņas saistās gar tā sāniem vai galu. Vīrusiem replikējoties, tie var savākt ievērojamu daudzumu vēlamā materiāla. Pētnieki var arī vadīt materiālu veidošanos, mainot augšanas apstākļus, piemēram, vīrusa koncentrāciju šķīdumā. Atkarībā no tā, kas ir nepieciešams, tie var veidot vai nu nejauši orientētas struktūras, vai sakārtotāku, atkārtojamu arhitektūru.

Process ir uz ūdens bāzes un ļauj zinātniekiem izgatavot materiālus videi labvēlīgos apstākļos, istabas temperatūrā un parastā spiedienā. Tā ir liela priekšrocība salīdzinājumā ar tradicionālajām pusvadītāju vai elektronisko shēmu ražošanas metodēm, kurām var būt nepieciešamas sarežģītas iekārtas, toksiski materiāli un augsta temperatūra.

Andžela Belčere, Yet-Ming Chiang un Paula Hammond

Sadarbībā ar profesoriem Yet-Ming Chiang un Paula Hammond 2006. gadā tika iegūts vīrusa audzēts anoda materiāls.

Disnejs zinātniekiem
Kad Belčere mācījās Teksasas Universitātē, viņas novatoriskie pētījumi par neorganisko materiālu vīrusu augšanu piesaistīja lielu uzmanību akadēmiskajās aprindās. Savervēta no vairākām vietām, viņa veica dažus braucienus uz MIT, ko viņa sauc par Disnejlendu zinātniekiem un inženieriem, un saprata, ka tas ir lieliski piemērots. Ikreiz, kad es apmeklēju mācībspēkus, es redzēju saistību ar viņu darbu, un cilvēki bija tik satraukti par viņu pētījumiem, viņa saka. Un nav tā, ka viņi to turētu tuvu sev — viņi sadarbojas visā universitātes pilsētiņā. Periodiskajā diagrammā, ko viņa iedeva prezidentam Obamam — vienā no kartīšu krājumiem, ko viņa bija izdrukājusi, lai izdalītu pirmkursniekiem —, ir ietverts apzīmējums, kas parāda, kā viņa jutās, ierodoties institūtā: Laipni lūdzam MIT. Tagad jūs esat savā elementā.

Viena no pirmajām partnerībām, ko Belčers izveidoja MIT, bija ar ķīmijas inženierijas profesori Paulu Hamondu '84, PhD '93. Pēc sarunas par saviem pētījumiem viņi nolēma strādāt pie projekta, lai izveidotu sensorus, kas nosaka bioloģiskos aģentus. Viņa vēlējās saprast, kāda veida zinātne notiek ap viņu un kāda veida attīstību viņa varētu veicināt, saka Hamonds. Viņa patiešām veidoja savu sadarbības kopienu.

Tikmēr Belčere pilnveidoja savas vīrusu rīku komplekta pamatzinātnes un paplašināja savu materiālu paleti. Viņa saka, ka eksperimentos viņas laboratorija strādāja ar periodisko tabulu un redzēja, ko mēs spējam izdarīt. Panākumi ar metāliem un metālu oksīdiem izraisīja sadarbību akumulatoru izpētē ar Hammond un Yet-Ming Chiang '80, ScD '85, materiālu zinātnieku, kurš bija akumulatoru uzņēmuma A123 Systems līdzdibinātājs. 2006. gadā trīs līdzautors a papīrs iekšā Zinātne apraksta vīrusu augšanas metodi kobalta oksīda nanovadu izgatavošanai, kas ir anoda materiāls uzlādējamam litija jonu akumulatoram uz elastīgām polimēru plēvēm.

Lai gan tas bija iespaidīgi, viņi bija izveidojuši tikai pusi akumulatora, kam nepieciešams gan anods, gan katods. Pēc tam Belčers izveidoja sapņu komandu, kurā bija profesori Gerbrands Sēders un Maikls Stano. Viņi izstrādāja vīrusu, lai izaudzētu dzelzs fosfātu gar tā virsmu, veidojot nanovadus, kas kalpo kā katoda materiāls.

Pēc tam grupa devās soli tālāk, meklējot akumulatoru, ko varētu izmantot automašīnām. Katoda izveidošana ātras izlādes akumulatoram ir sarežģītāka nekā anoda izveidošana, jo šādiem elektrodiem ir jābūt ļoti vadītspējīgiem, tomēr drošie un zemo izmaksu materiāli, kurus Belčera komanda pētīja katodiem, ir labāk izolēti un nevada labi. Lai to risinātu, Belčera grupa izstrādāja gēnu, kas piespieda vīrusu pieķerties oglekļa nanocaurulēm. Kamēr dzelzs fosfāts sakrājas gar vīrusa zīmulim līdzīgās formas garajām malām, nanocaurules pievienojas tā galam, izveidojot elektrisko kontaktu tīklu, kas veicina elektronu plūsmu un uzlabo akumulatora jaudu.

Tas bija darbs, kas noveda pie revolucionāra Zinātne 2009. gada papīrs, kurā pētnieki aprakstīja, kā viņi uzbūvēja prototipu, kas atbilst tā laika labāko akumulatoru jaudai un enerģijas ietilpībai. Tā kā elektrodus var salikt uz polimēru plēvēm, kas darbojas kā elektrolīts, tehnoloģija var novest pie plānām, elastīgām baterijām vai tādām, kas iegūst konteinera formu. Sjūzena Hokfīlda, toreizējā MIT prezidente, demonstrēja prototipu, kas apgaismo nelielu LED spuldzi, Vašingtonas preses konferencē ar prezidentu Obamu par federālo fondu nozīmi enerģētikas pētniecībā.

Vienmēr intensīvi koncentrējoties uz pētījumiem, kuriem varētu būt plaša ietekme, Belčers arī apsprieda ar Hamondu, kā viņi varētu uzlabot saules enerģiju. Viņi izvēlējās ar krāsu sensibilizētas saules baterijas, kurās aktīvais slānis ir izgatavots no titāna dioksīda, kas pārklāts ar krāsvielu. Lai gan šādas šūnas ir lētas, tās nepārvērš gaismu elektrībā pietiekami efektīvi, lai tās izmantotu uz jumtiem vai komunālo pakalpojumu mērogā. Taču darbs pie vīrusiem, lai akumulatoru katodos iekļautu oglekļa nanocaurules, nodrošināja iespēju veikt lielu efektivitātes lēcienu.

2011. gadā Belčera laboratorija izstrādāja vīrusu, kas sakārtoti savā garumā savāc oglekļa nanocaurules. Pēc tam vīruss ap nanocaurulēm veido ārējo titāna dioksīda slāni. Tāpat kā bateriju darbā, nanocaurules rada sīkus vadus elektriskajai strāvai saules baterijā. Vīrusu radītā materiāla pievienošana šūnai palielina efektivitāti par vairāk nekā 30 procentiem. Viņas laboratorija ir arī sākusi projektu, lai izmēģinātu to pašu ar saules baterijām, kas izgatavotas no silīcija, kas ir dominējošais materiāls šajā nozarē. Tā mēs to pieejam: vai ir kāds veids, kā mēs varam pielietot bioloģiju jaunā veidā? viņa saka.

Sazarošanās
Kad Belčere guva panākumus enerģētikas jomā, MIT kolēģi, tostarp zāļu piegādes pionieris Roberts Langers, mudināja viņu izmantot savu pieredzi nanozinātnēs vēža ārstēšanā. Sākumā viņa bija nelabprāt un mazliet iebiedēta. Viņa bija vairāk pazīstama ar akumulatoru elektrodiem nekā vēža šūnām, tāpēc viņa nebija pārliecināta, kādu ieguldījumu viņa varētu sniegt. Bet galu galā viņa iesaistījās tajā, kopā ar kolēģiem izpētot vēža pamācības un atkal sadarbojoties ar citiem pētniekiem, tostarp MIT profesori Sangeetu Bhatia, SM '93, PhD '97. Mums bija jāmācās viss no nulles, Belčere saka par savu laboratorijas darbu vēža ārstēšanā. Mēs paši nekad nebūtu varējuši tajā iedziļināties.

Tagad viņa un Bhatia strādā pie ķirurģiskas zondes, lai atrastu ļoti mazus audzējus. Viena no metodēm, ko viņu laboratorijas izstrādā, izmanto vīrusu, kas izstrādāts, lai saistīties ar vēža šūnām un oglekļa nanocaurulēm. Šķidrums, kas satur vīrusus, kas jau ir saistīti ar nanocaurulēm, tiktu ievadīts asinsritē vai vēdera dobumā, lai meklētu audzējus. Kad vīrusi pievienojas audzējam, nanocaurules spīdētu infrasarkanajā gaismā, ļaujot ārstiem apskatīt audzēju ar specializētu kameru. Izmantojot pašreizējās metodes, bieži vien ir grūti bez operācijas attēlot olnīcu audzējus, kuru diametrs ir mazāks par vienu centimetru. Bet šī sistēma testos ar dzīvniekiem ir izolējusi audzējus viena milimetra diametrā. Viņa saka, ka šī metode joprojām ir eksperimentāla, un tā varētu būt visnoderīgākā, lai precīzi noteiktu audzējus, kurus ir grūti atrast un kuru agrīna atklāšana var būt visnoderīgākā, piemēram, olnīcu un aizkuņģa dziedzera audzējus. Belčera komanda arī pēta veidus, kā piegādāt zāles, izmantojot vīrusus, kas izstrādāti, lai pievienotos vēža šūnām.

Sajaukšana
Belčeres ģenētiskais rīku komplekts ir izrādījies daudzpusīgs, taču lielā zinātne pilnībā neizskaidro viņas spēju strādāt tik daudzās jomās. Savā laboratorijā viņa rada vidi, kurā dažādu disciplīnu eksperti — ķīmiķi, molekulārie biologi, fiziķi un mehānikas inženieri — pieiet problēmām unikālā veidā. Piemēram, Bērklija Lī pievienojās Belčera laboratorijai ar pieredzi polimēru ķīmijā, taču saka, ka, strādājot kopā ar citiem laboratorijas darbiniekiem, viņš ir apguvis pietiekami daudz materiālu zinātnes un bioinženierijas, lai izpētītu vīrusu radītos pusvadītājus. Viņai ir diezgan neparastas spējas izvēlēties lielisku cilvēku kopumu savai laboratorijai pie daudzu dažādu disciplīnu robežām, kur parasti notiek daudz interesantu zinātņu, saka Ēriks Kraulands, PhD '07, antivielu atklāšanas un optimizācijas direktors. biotehnoloģiju uzņēmumā Adimab un bijušais doktorants Belčera laboratorijā. Un viņa nebaidās pieņemt darbā cilvēkus, kuri konkrētā jomā zina vairāk nekā viņa. Viņi mani māca, viņa saka. Tā patiešām ir sadarbība — es vienkārši iegūstu lielo biroju.

Belheram patīk saukt MIT par intelektuālo rotaļu laukumu, jo ir plašas iespējas dalīties idejās par progresīvākiem pētījumiem. To nenodrošina nauda vai nākamais papīrs. To virza “Oho, paskatīsimies, ko varam darīt kopā,” viņa saka. Tāpēc tas ir jautri — tāpēc tas nemaz nešķiet pēc darba.

Ja Belčera darbā vijas kopīgs pavediens, tiek uzskatīts, ka tehnoloģija un inženierija var palīdzēt risināt sabiedrības problēmas. Savā runā, ko viņa teica, kad viņa jūlijā pieņēma Lemelson-MIT balvu, viņa mudināja vidusskolēnus, kuri bija uzvarējuši balvas no Lemelsona fonda, lai mēģinātu padarīt pasauli labāku. Izmantojot daļu naudas balvas, viņa plāno paplašināt informatīvo programmu, ko viņa izmanto, lai ar praktisku eksperimentu palīdzību veicinātu skolas vecuma bērnu interesi par zinātni. Viņa apmeklē skolas un muzejus, lai rīkotu sarunas ar skolēniem, sākot no bērnudārza līdz vidusskolai, vadot viņus tādos eksperimentos kā DNS izolēšana no vaigiem. Belčerei ir patīkamas atmiņas par to, ka viņa bērnībā bija čalojusies, būvējusi lietas garāžā un, neskatoties uz disleksiju, stundām ilgi pavadījusi bibliotēkā, lasot grāmatas par medicīnu. Viņa cer dalīties šajā aizraušanās ar zinātni ar saviem dēliem, kuriem ir septiņi un trīs gadi.

Belčere saprot, cik svarīgi ir sākt agri: viņa pati aizrāvās ar dzīves izcelsmi un mikroskopisko pasauli, kad viņa tik tikko mācījās pamatskolā. Tā pati bērnišķīgā aizraušanās un vēlme kaut ko mainīt joprojām ir tas, kas viņu veicina arī šodien. Man patīk risināt planētai svarīgas problēmas, viņa saka. Katru dienu es pamostos, zinot, ka laboratorijā notiek kaut kas interesants.

paslēpties