Przygody na intelektualnym placu zabaw

Jeden z najbardziej ekscytujących momentów w życiu zawodowym Angeli Belcher miał miejsce podczas rutynowej wizyty w laboratorium zimą 2009 roku. Dwóch jej absolwentów z Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii MIT próbowało wykorzystać narzędzia biologiczne do produkcji materiałów do baterii. elektroda. Pokazali jej szalkę Petriego z wirusem, który zaprojektowali tak, aby wiązał się z materiałami, do których normalnie nie miałby żadnego powinowactwa — fosforanem żelaza i nanorurek węglowych. Wirus starannie zmontował te dwa materiały w maleńkie druty, które okazały się równie skuteczne jak elektrody w komercyjnych akumulatorach litowo-jonowych.

Dla studentów był to obiecujący wynik. Jednak dla niej było to coś znacznie większego — realizacja śmiałego pomysłu, do którego nawet kiedyś zniechęcono ją. Kiedy zaczynałem, moim marzeniem było wykorzystanie genetyki lub kontroli DNA, aby uczynić urządzenia niebiologiczne lepszymi, niż można by było zrobić w inny sposób. To był długoterminowy pomysł na ciasto w niebie, mówi Belcher, która mówi, że wciąż ma dreszcze opowiadając tę ​​historię. Teraz jej uczniowie rzeczywiście osiągnęli ten cel: majstrując przy genach wirusa, byli w stanie wyprodukować wysokowydajny materiał elektrodowy. Dotarliśmy tam szybciej, niż się spodziewałam, mówi.

Prace laboratoryjne nad bateriami wyhodowanymi przez wirusy doprowadziły do: papier w Nauka w 2009 roku i przykuwają uwagę mediów. Jednak baterie to tylko jeden z możliwych produktów nowatorskiego zestawu narzędzi, którego pionierem był Belcher. Projektuje wirusy, a w niektórych przypadkach drożdże, aby działały jak biologiczne fabryki produkujące materiały nieorganiczne o kształtach i strukturach, które byłyby trudne do wytworzenia w inny sposób. Wirusy w kształcie ołówka, które infekują bakterie, działają jak szablon lub rusztowanie, na którym gromadzą się nanocząsteczki. Wirusy są zdolne do składania wysoce uporządkowanych kryształów lub przewodów w nanoskali, które mogą być przydatne w różnych zastosowaniach.

Dzięki licznym współpracom Belcher zastosowała swoje narzędzia do niektórych z największych problemów społeczeństwa w zakresie energii, środowiska i medycyny. Poprawiła wydajność ogniw słonecznych i opracowała katalizatory, które mogą rozdzielać wodór z wody na paliwo i przekształcać gaz ziemny w chemikalia przemysłowe. Założona przez nią firma wymyśliła nowe sposoby wytwarzania materiałów do ekranów dotykowych, a jej laboratorium zaprojektowało drożdże do przekształcania odpadowego dwutlenku węgla z elektrowni w płytki podłogowe. Jest profesorem energetyki na wydziałach inżynierii materiałowej i inżynierii biologicznej, w 2010 roku dołączyła do Instytutu Davida H. Kocha na rzecz Integracyjnych Badań nad Rakiem przy MIT i rozpoczęła pracę nad opracowywaniem narzędzi diagnostycznych i metod leczenia raka. Niedawno zaczęła opracowywać materiały, które mogą oczyszczać i oddzielać wodę od odpadów organicznych lub oleju, a także rozpoczęła prace nad akumulatorami litowo-powietrznymi do pojazdów elektrycznych, a także nad urządzeniami do magazynowania energii zwanymi superkondensatorami.

Klasyczna chwila Eureki
Co ciekawe, osiągnęła to wszystko w wieku 46 lat – i ostatecznie wszystko sprowadza się do ślimaka morskiego bez ucha.

Belcher, która jako studentka na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara stworzyła swój własny program nauczania łączący wiele dziedzin nauki, zafascynowała się słuchotkiem i wybrała go jako swój przedmiot, kiedy robiła doktorat z chemii w tej samej szkole. Miała trzech doradców z tytułem doktora — chemika, biologa molekularnego i fizyka — którzy odbywali cotygodniowe spotkania, aby pomagać sobie nawzajem w wypełnianiu luk między ich dziedzinami. W ten sposób uczyłam się nauki, mówi. Dla mnie to zupełnie normalny sposób podejścia do świata.

Belcher skupił się na sposobie, w jaki zwierzę tworzy swoją skorupę. Abalones wytwarzają białka, które łączą się z jonami wapnia i węglanu z wody morskiej, tworząc rzędy maleńkich nieorganicznych kryształów – jeden rodzaj dla zewnętrznej powłoki, a drugi dla niezwykle mocnej wewnętrznej powłoki. Myśląc o tym procesie, gdy pewnego dnia spoglądała na ocean ze swojego biura, Belcher miał klasyczny moment eureki. Gdy jej wzrok przeniósł się z okna na układ okresowy pierwiastków na jej ścianie – umieszczony wysoko, aby nie zasłaniać widoku – zastanawiała się, czy białka otoczki, które wyizolowała w swojej pracy doktorskiej, mogą tworzyć użyteczne materiały poprzez łączenie z innymi pierwiastkami.

Pomyślałem, czy nie byłoby interesujące w przypadku półprzewodników, gdybyś miał białko, które wyhoduje jedną strukturę krystaliczną w porównaniu z inną i można to zrobić z kontrolą genetyczną, mówi Belcher. Wtedy zacząłem myśleć o tym, jak opracować kod genetyczny dla półprzewodników.

Ten podstawowy, inspirowany naturą wgląd – że można wykorzystać genetykę do produkcji materiałów nieorganicznych – doprowadził do powstania dziesiątek publikacji naukowych i oszałamiającej różnorodności projektów badawczych. Wśród jej wyróżnień znajduje się genialny grant MacArthura w 2004 roku, nagroda uznania od armii amerykańskiej i tegoroczna nagroda Lemelson-MIT w wysokości 500 000 USD. Kiedy Barack Obama przybył do MIT w 2009 r. i wygłosił przemówienie na temat energii, Belcher poinformował prezydent o swoich badaniach dotyczących baterii i energii słonecznej. (Dała mu również małą karteczkę z układem okresowym, mówiąc, że może się przydać, jeśli kiedykolwiek będziesz musiał obliczyć masę cząsteczkową. Powrót Obamy: Dziękuję. Będę się temu przyglądał okresowo. )

Naukowcy szanują Belcher za jej śmiałe, całościowe pomysły i zdolność do robienia prawdziwych postępów w przekształcaniu ich w praktyczne zastosowania. Oprócz pracy naukowej współtworzyła dwie firmy: Cambrios , która produkuje materiał oparty na srebrnych nanodrutach, wykrywający ruchy palców na ekranach dotykowych, oraz Siluria Technologies, która opracowała katalityczny proces przekształcania gazu ziemnego w etylen, który można wykorzystać do produkcji materiałów normalnie otrzymywanych z ropy naftowej. Jest bardzo wizjonerką i bardzo multidyscyplinarną, mówi Seung-Wuk Lee, która pracowała z Belcherem jako studentka studiów magisterskich, a obecnie jest naukowcem w Lawrence Berkeley National Laboratory i profesorem nadzwyczajnym bioinżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Jest też trochę praktyczna. Potrafi zademonstrować swoje pomysły już teraz, a nie za 10 lat.

Niekonwencjonalne podejście
Belcher, Teksańczyk w siódmym pokoleniu, dostała swoją pierwszą pracę jako profesor chemii i biochemii na University of Texas w Austin w 1999 roku. Okazało się, że był to dobry czas na badania w dziedzinie materiałoznawstwa i bioinżynierii: nanotechnologia była obiecująca wschodzącej dziedzinie, a naukowcy zajmujący się naukami przyrodniczymi mieli dostęp do nowych narzędzi inżynierii genetycznej. Zaczęła pracować z bakteriofagami w kształcie ołówka, czyli fagami – naturalnie występującymi wirusami, które infekują bakterie. Geny każdego wirusa zawierają instrukcje wytwarzania białka, które pokrywa jego powierzchnię. Badacze mogą celować w określony rodzaj cząsteczki, używając faga, którego konkretne białko powierzchniowe przyczepia się do niego – technika, która była zwykle używana do odkrywania leków.

Białka wirusowe nie wiążą się z materiałami nieorganicznymi w naturze, ale Belcher chciał sprawdzić, czy można je tak skonstruować. Zaledwie kilka miesięcy po tym, jak została profesorem, napisała swoją pierwszą propozycję grantu, aby przetestować koncepcję, z której wykluła się po raz pierwszy w swoim biurze w Santa Barbara: że będzie można użyć wirusa do związania się z półprzewodnikiem i złożenia materiału półprzewodnikowego jako wirus atakuje bakterie. Otrzymała tylko dwie odpowiedzi od recenzentów. Jeden powiedział, że może to być interesujące, ale Belcher nie miał naukowego zaplecza, aby to zrobić; druga po prostu napisała: ONA JEST OBJĘTA.

Choć zdenerwowana, Belcher kontynuowała, ponieważ jej doświadczenie z uchowcem, którego białka wiążą się z materiałami nieorganicznymi, dało jej pewność, że może działać. Wydała kilkaset dolarów, aby kupić fiolkę zawierającą zbiór fagów zmodyfikowaną losowo wstawkami DNA, które kodują aż miliard białek. Korzystając z danych z eksperymentów, ponownie zgłosiła swój pomysł na grant i została sfinansowana przez armię. W ciągu roku od pierwszego odrzucenia opublikowała papier w Natura demonstrując, że wirusy można zaprojektować tak, aby wytwarzały białka wiążące się z powierzchniami półprzewodników, technika, która umożliwiłaby zasadniczo hodowanie materiałów do celów elektronicznych. Każdy wirus działa jak szablon, przyciągając kryształy półprzewodnikowe, które dopasowują się do białek pokrywających wirusa. Ten przełomowy dowód koncepcji położył podwaliny pod całą pracę inżynierską, którą wykonała od tamtej pory.

Dzięki metodzie Belchera badacze laboratoryjni wystawiają około miliarda wariantów wirusa na materiał, taki jak metal lub półprzewodnik, identyfikując i izolując białka, które najlepiej się do niego przyczepiają. Wirusy, które je produkują, są następnie umieszczane w roztworze zawierającym bakterie. Zarażają bakterie, które wytwarzają miliony kopii wirusa i jego określonej sekwencji DNA. Na koniec wprowadza się je do roztworu zawierającego interesujący materiał. Na przykład wirus, który silnie wiąże się ze złotem, umieszcza się w roztworze zawierającym jony złota. Złoto skrystalizuje się na powierzchni wirusa, dostosowując się do kształtu białka na jego płaszczu.

Korzystając z inżynierii genetycznej, naukowcy modyfikują sekwencję DNA wirusa, aby dalej kontrolować sposób, w jaki się wiąże. Mogą nakłonić go do złożenia wielu materiałów, takich jak złoto i platyna, lub mogą kontrolować kształt struktur generowanych przez wirusa, wybierając, czy cząsteczki wiążą się wzdłuż jego boków, czy na jego końcu. W miarę replikacji wirusy mogą gromadzić znaczne ilości pożądanego materiału. Naukowcy mogą również kierować tworzeniem materiałów, zmieniając warunki wzrostu, takie jak stężenie wirusa w roztworze. W zależności od potrzeb mogą tworzyć struktury zorientowane losowo lub bardziej uporządkowaną, powtarzalną architekturę.

Proces jest oparty na wodzie i umożliwia naukowcom wytwarzanie materiałów w warunkach przyjaznych dla środowiska, w temperaturze pokojowej i pod zwykłym ciśnieniem. To duża przewaga nad tradycyjnymi technikami wytwarzania półprzewodników lub obwodów elektronicznych, które mogą wymagać skomplikowanych maszyn, materiałów toksycznych i wysokich temperatur.

Współpraca z profesorami Yet-Ming Chiang i Paulą Hammond zaowocowała w 2006 roku materiałem anodowym wyhodowanym przez wirusy.

Disney dla naukowców
Kiedy Belcher była na Uniwersytecie w Teksasie, jej pionierskie badania nad wirusowym rozwojem materiałów nieorganicznych przyciągnęły wiele uwagi w środowisku akademickim. Zwerbowana przez wiele miejsc, odbyła kilka wycieczek do MIT, które dla naukowców i inżynierów nazywa Disneylandem, i zdała sobie sprawę, że to świetnie pasuje. Na każdym spotkaniu, na które szłam z wykładowcami, widziałam związek z ich pracą, a ludzie byli bardzo podekscytowani ich badaniami – mówi. I to nie tak, że trzymają to blisko siebie – współpracują w całym kampusie. Karta okresowa, którą wręczyła prezydentowi Obamie – jedna z kartek, które wydrukowała, by rozdać pierwszoklasistom – zawiera slogan, który oddaje, jak się czuła po przybyciu do Instytutu: Witamy w MIT. Teraz jesteś w swoim żywiole.

Jedną z pierwszych spółek, które Belcher zawiązał na MIT, była profesor inżynierii chemicznej Paula Hammond ’84, PhD ’93. Po rozmowie o swoich badaniach postanowili pracować nad projektem budowy czujników wykrywających czynniki biologiczne. Chciała zrozumieć, jakie rodzaje nauki dzieją się wokół niej i do jakiego rodzaju rozwoju może się przyczynić, mówi Hammond. Naprawdę budowała wspólnotę współpracy.

W międzyczasie Belcher ulepszała podstawy swojego zestawu narzędzi wirusowych i poszerzała paletę materiałów. Podczas eksperymentów jej laboratorium analizowało układ okresowy pierwiastków i sprawdzało, w czym jesteśmy dobrzy, mówi. Sukces w dziedzinie metali i tlenków metali doprowadził do współpracy w zakresie badań nad akumulatorami z Hammondem i Yet-Ming Chiang ’80, ScD ’85, naukowcem zajmującym się materiałami, który był współzałożycielem firmy produkującej akumulatory A123 Systems. W 2006 roku ta trójka była współautorem m.in papier w Nauka opisujący metodę wzrostu wirusa do wytwarzania nanodrutów z tlenku kobaltu, materiału anodowego do ładowalnego akumulatora litowo-jonowego, na elastycznych foliach polimerowych.

Choć było to imponujące, stworzyli tylko połowę baterii, która wymaga zarówno anody, jak i katody. Belcher następnie zebrał zespół marzeń, w skład którego weszli profesorowie Gerbrand Ceder i Michael Stano. Skonstruowali wirusa, który hodował fosforan żelaza na swojej powierzchni, tworząc nanodruty służące jako materiał katodowy.

Następnie grupa poszła o krok dalej, w pogoni za akumulatorem, który mógłby być używany w samochodach. Zbudowanie katody do szybko rozładowującego się akumulatora jest trudniejsze niż zbudowanie anody, ponieważ takie elektrody muszą być wysoce przewodzące, jednak bezpieczne i tanie materiały, które zespół Belchera badał pod kątem katod, są bardziej izolacyjne i nie przewodzą dobrze. Aby rozwiązać ten problem, grupa Belchera opracowała gen, który zmusił wirusa do przyczepienia się do nanorurek węglowych. Podczas gdy fosforan żelaza gromadzi się wzdłuż długich boków przypominającego ołówek wirusa, nanorurki przyczepiają się do jego końcówki, tworząc sieć styków elektrycznych, które wspomagają przepływ elektronów i poprawiają moc baterii.

To była praca, która doprowadziła do przełomu Nauka referat z 2009 r., w którym naukowcy opisali, w jaki sposób zbudowali prototyp, który odpowiadał mocy i pojemności energetycznej najlepszych ówczesnych akumulatorów. Ponieważ elektrody mogą montować się na foliach polimerowych, które pełnią rolę elektrolitu, technologia może prowadzić do cienkich, elastycznych baterii lub takich, które przyjmą kształt pojemnika. Susan Hockfield, ówczesna prezes MIT, zademonstrowała prototyp, który zapala małą żarówkę LED na konferencji prasowej w Waszyngtonie z prezydentem Obamą na temat znaczenia funduszy federalnych na badania nad energią.

Zawsze intensywnie skoncentrowany na badaniach, które mogą mieć duży wpływ, Belcher przeprowadził również burzę mózgów z Hammondem na temat tego, jak mogą poprawić energię słoneczną. Wybrali wrażliwe na barwnik ogniwa słoneczne, w których warstwa aktywna wykonana jest z pokrytego barwnikiem dwutlenku tytanu. Chociaż takie ogniwa są niedrogie, nie przekształcają światła w energię elektryczną wystarczająco wydajnie, aby można je było stosować na dachach lub w zastosowaniach na skalę przemysłową. Jednak prace nad skłonieniem wirusów do włączenia nanorurek węglowych do katod baterii zapewniły drogę do dużego skoku wydajności.

W 2011 roku laboratorium Belchera zaprojektowało wirusa, który w uporządkowany sposób składa nanorurki węglowe na całej swojej długości. Następnie wirus tworzy zewnętrzną warstwę dwutlenku tytanu wokół nanorurek. Podobnie jak w przypadku baterii, nanorurki tworzą maleńkie przewody dla prądu elektrycznego w ogniwie słonecznym. Dodanie materiału zbudowanego przez wirusa do komórki zwiększa wydajność o ponad 30 procent. Jej laboratorium rozpoczęło również projekt, aby wypróbować to samo z ogniwami słonecznymi wykonanymi z krzemu, dominującego materiału w branży. Tak do tego podchodzimy: czy jest jakiś sposób, w jaki możemy zastosować biologię w nowy sposób? ona mówi.

Rozgałęzienie
Gdy Belcher zbierał osiągnięcia w dziedzinie energii, koledzy z MIT, w tym pionier w dostarczaniu leków Robert Langer, zachęcali ją do zastosowania swojej wiedzy w nanonauce w leczeniu raka. Na początku była niechętna i trochę onieśmielona. Bardziej zaznajomiona z elektrodami akumulatorowymi niż komórkami rakowymi, nie była pewna, jaki wkład może wnieść. Ale ostatecznie rzuciła się w to, przechodząc z kolegami samouczki na temat raka i ponownie współpracując z innymi badaczami, w tym profesorem MIT Sangeeta Bhatia, SM ’93, PhD ’97. Musieliśmy nauczyć się wszystkiego od zera, mówi Belcher o pracy swojego laboratorium na raka. Nigdy nie moglibyśmy w to wejść sami.

Teraz ona i Bhatia pracują nad sondą chirurgiczną, aby zlokalizować bardzo małe guzy. Jedna z metod opracowywanych przez ich laboratoria wykorzystuje wirusa zaprojektowanego do wiązania się z komórkami rakowymi i nanorurkami węglowymi. Płyn zawierający wirusy już związane z nanorurkami byłby wstrzykiwany do krwiobiegu lub jamy brzusznej w celu wyszukania guzów. Kiedy wirusy przyczepiają się do guza, nanorurki świeciły w świetle podczerwonym, umożliwiając lekarzom obserwację guza za pomocą specjalistycznej kamery. Obecnymi metodami często trudno jest zobrazować guzy jajnika o średnicy mniejszej niż jeden centymetr bez operacji. Ale ten system wyizolował guzy o średnicy jednego milimetra w testach na zwierzętach. Wciąż eksperymentalna technika może być najbardziej użyteczna do wskazywania guzów, które są trudne do znalezienia i dla których wczesne wykrycie może być najbardziej pomocne – takich jak guzy jajnika i trzustki – mówi. Zespół Belchera bada również sposoby dostarczania leków za pomocą wirusów zaprojektowanych w celu przyłączenia się do komórek rakowych.

Mieszanie to w górę
Zestaw narzędzi genetycznych Belchera okazał się wszechstronny, ale wspaniała nauka nie wyjaśnia w pełni jej zdolności do pracy w tak wielu dziedzinach. W swoim laboratorium tworzy środowisko, w którym eksperci z różnych dyscyplin — chemicy, biolodzy molekularni, fizycy i inżynierowie mechanicy — podchodzą do problemów w wyjątkowy sposób. Na przykład Lee z Berkeley dołączył do laboratorium Belchera z doświadczeniem w chemii polimerów, ale mówi, że pracując z innymi w laboratorium, nauczył się wystarczająco dużo nauk o materiałach i bioinżynierii, aby badać półprzewodniki zbudowane z wirusów. Ma niesamowitą zdolność do wybierania świetnego zestawu ludzi do swojego laboratorium na granicy wielu różnych dyscyplin, w których zwykle odbywa się wiele interesujących dziedzin naukowych, mówi dr Eric Krauland, dyrektor ds. odkrywania i optymalizacji przeciwciał. w firmie biotechnologicznej Adimab i byłego doktoranta w laboratorium Belchera. I nie boi się zatrudniać ludzi, którzy wiedzą więcej niż ona w danej dziedzinie. Uczą mnie, mówi. To naprawdę współpraca — po prostu dostaję duże biuro.

Belcher lubi nazywać MIT intelektualnym placem zabaw ze względu na szerokie możliwości dzielenia się pomysłami na najnowocześniejsze badania. Nie jest napędzany pieniędzmi ani kolejną gazetą. Kieruje nim „Wow, zobaczmy, co możemy razem zrobić”, mówi. Dlatego jest fajnie – dlatego w ogóle nie wygląda na pracę.

Jeśli w pracach Belchera przewija się wspólny wątek, jest to przekonanie, że technologia i inżynieria mogą pomóc w rozwiązaniu problemów społecznych. W przemówieniu, które wygłosiła, gdy w lipcu odebrała nagrodę Lemelson-MIT, wezwała uczniów szkół średnich, którzy wygrali nagrody z Fundacji Lemelson, aby spróbować uczynić świat lepszym miejscem. Wykorzystując część pieniędzy z nagród, zamierza rozszerzyć program pomocy, z którego korzysta, aby rozbudzić zainteresowanie nauką wśród dzieci w wieku szkolnym poprzez praktyczne eksperymenty. Odwiedza szkoły i muzea, aby prowadzić rozmowy z uczniami od przedszkola do liceum, prowadząc ich w eksperymentach, takich jak izolowanie DNA z ich policzków. Belcher ma miłe wspomnienia z majsterkowania, budowania rzeczy w garażu i – pomimo dysleksji – spędzania godzin w bibliotece na czytaniu książek o medycynie, gdy była małą dziewczynką. Ma nadzieję dzielić tę pasję do nauki ze swoimi synami, którzy mają siedem i trzy lata.

Belcher rozumie, jak ważne jest wczesne rozpoczęcie nauki: sama zafascynowała się początkami życia i mikroskopijnym światem, gdy była zaledwie w szkole podstawowej. Ta sama dziecięca fascynacja — i chęć dokonania zmian — nadal ją napędza. Uwielbiam rozwiązywać problemy ważne dla planety – mówi. Każdego dnia budzę się ze świadomością, że w laboratorium dzieje się coś ciekawego.

ukryć