Angela Belcher: Using nature to grow batteries

アンジェラ・ベルチャー：自然を使って電池を育てる

翻訳: Satoshi Tatsuhara 校正: Masaaki Ueno

I thought I'd talk a little bit about how nature makes materials.

自然界で物質はどう作られるのでしょう

I brought along with me an abalone shell.

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

This abalone shell is a biocomposite material

that's 98 percent by mass calcium carbonate

質量の98%が 炭酸カルシウム

and two percent by mass protein.

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

Yet, it's 3,000 times tougher than its geological counterpart.

3,000倍も頑丈にできています

And a lot of people might use structures like abalone shells,

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

like chalk.

I've been fascinated by how nature makes materials,

自然界の物づくりは魅力的で

その妙技から

and there's a lot of secrets to how they do such an exquisite job.

たくさんのことが学べます

Part of it is that these materials are macroscopic in structure,

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

but they're formed at the nano scale.

They're formed at the nano scale,

組み立てられています

and they use proteins that are coded by the genetic level

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

that allow them to build these really exquisite structures.

そこで 生命を持たない ―

So something I think is very fascinating is:

例えば 太陽電池などの各種の電池に

What if you could give life to non-living structures,

命を持たせたらどうなるのか

like batteries and like solar cells?

とても興味がわいてきます

What if they had some of the same capabilities

生命を持たない物体が

アワビの貝殻と同じ能力をもつ

that an abalone shell did,

in terms of being able to build really exquisite structures

つまり 室温 大気圧下で

無害な化学物質を使って

at room temperature and room pressure,

精巧な構造物を作る能力をもち

using nontoxic chemicals

有害な物質を

and adding no toxic materials back into the environment?

環境に出さないとしたらどうでしょう？

So that's kind of the vision that I've been thinking about.

そんなことを思い描いてきたのです

And so what if you could grow a battery in a Petri dish?

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

Or what if you could give genetic information to a battery

時間の経過とともに

so that it could actually become better as a function of time, and do so

進化させられたら？

しかも環境に優しくできないか？

in an environmentally friendly way?

アワビの貝殻に話を戻しますが

And so, going back to this abalone shell,

ナノ構造もそうですが

besides being nanostructured, one thing that's fascinating is,

もう一つ興味を引かれるのは

when a male and female abalone get together,

アワビのオスとメスが協力して

they pass on the genetic information that says,

遺伝情報を伝える点です

「精巧な物質は こう組み立てる」

"This is how to build an exquisite material.

Here's how to do it at room temperature and pressure,

「室温 大気圧下で こうやる」

「無害な材料で こうやる」

using nontoxic materials."

Same with diatoms, which are shown right here,

ケイ藻も同じです ガラスのような構造をしていて

which are glasseous structures.

分裂する時に

Every time the diatoms replicate,

they give the genetic information that says,

遺伝情報を伝えます

「完全なナノ構造のガラスを

"Here's how to build glass in the ocean that's perfectly nanostructured."

海で組み上げるにはこうする」

And you can do it the same, over and over again."

「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

So what if you could do the same thing with a solar cell or a battery?

できたらどうでしょう？

I like to say my favorite biomaterial is my four year old.

大好きなバイオマテリアルは ４歳の子です

But anyone who's ever had or knows small children knows,

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

they're incredibly complex organisms.

If you wanted to convince them to do something they don't want to do,

無理に何かをさせるのは

とても大変です

it's very difficult.

そこで 未来のテクノロジーについて検討する時

So when we think about future technologies,

we actually think of using bacteria and viruses --

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

simple organisms.

Can you convince them to work with a new toolbox,

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

so they can build a structure that will be important to me?

作らせることが可能でしょうか？

Also, when we think about future technologies,

未来のテクノロジーを検討するとき

we start with the beginning of Earth.

地球誕生から考え始めます

地球に生命が生まれるまで

Basically, it took a billion years to have life on Earth.

10億年かかりました

And very rapidly, they became multi-cellular,

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

they could replicate, they could use photosynthesis

as a way of getting their energy source.

光合成も可能になりました

But it wasn't until about 500 million years ago --

でも５億年ほど前

カンブリア紀に入ってようやく

during the Cambrian geologic time period --

海の生命が 堅い物質を作るようになりました

that organisms in the ocean started making hard materials.

それまでは 柔らかくふわっとしていたのです

Before that, they were all soft, fluffy structures.

この時代 その環境には

It was during this time that there was increased calcium,

カルシウムと鉄とケイ素が

iron and silicon in the environment,

増えていました

and organisms learned how to make hard materials.

生命体は堅い物質を作る方法を習得しました

So that's what I would like to be able to do,

私は これを実現したいのです

convince biology to work with the rest of the periodic table.

周期表の残りの元素を

生物に活用してもらうのです

Now, if you look at biology,

生物をよく見ると DNAや抗体

there's many structures like DNA, antibodies, proteins and ribosomes

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

you've heard about,

自然界はナノスケールの

that are nanostructured --

精巧な構造物を

nature already gives us really exquisite structures on the nano scale.

用意してくれています

What if we could harness them

HIVのような仕組みで

and convince them to not be an antibody that does something like HIV?

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

What if we could convince them to build a solar cell for us?

どうでしょう？

これは自然界の貝殻です

Here are some examples.

Natural shells, natural biological materials.

自然界のバイオマテリアルです

The abalone shell here.

アワビの貝殻を割ってみると

If you fracture it, you can look at the fact that it's nanostructured.

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

There's diatoms made out of SiO2,

and there are magnetotactic bacteria

走磁性細菌といい

that make small, single-domain magnets used for navigation.

小さな単磁区を作って方向を判断します

What all these have in common

共通点は ナノスケールで

is these materials are structured at the nano scale,

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

and they have a DNA sequence that codes for a protein sequence

DNA配列が

that gives them the blueprint

すばらしい構造を作るための

to be able to build these really wonderful structures.

設計図となっている点です

Now, going back to the abalone shell,

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

the abalone makes this shell by having these proteins.

These proteins are very negatively charged.

タンパク質は負の電荷を帯びて

They can pull calcium out of the environment,

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

and put down a layer of calcium and then carbonate, calcium and carbonate.

アミノ酸の化学的配列から指示が出ています

It has the chemical sequences of amino acids which says,

「こうやって作る」

"This is how to build the structure.

「これが 実行するための —

Here's the DNA sequence, here's the protein sequence

DNA配列 タンパク質配列」

in order to do it."

So an interesting idea is,

面白いアイデアがあります　所望の物質や元素を

what if you could take any material you wanted,

組み上げるための

or any element on the periodic table,

DNA配列を見つけ出して

and find its corresponding DNA sequence,

then code it for a corresponding protein sequence to build a structure,

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

but not build an abalone shell --

build something that nature has never had the opportunity to work with yet.

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

And so here's the periodic table.

周期表です

I absolutely love the periodic table.

毎年 MITの新入生に配る周期表で

Every year for the incoming freshman class at MIT,

こう書いてあります

I have a periodic table made that says,

"Welcome to MIT. Now you're in your element."

「ようこそMITへ 得意分野（エレメント）を学ぼう」

(Laughter)

裏には アミノ酸が記載されています

And you flip it over, and it's the amino acids

with the pH at which they have different charges.

等電点も示してあります

And so I give this out to thousands of people.

何千もの人に配っています

And I know it says MIT and this is Caltech,

MITと書かれていますが

こちらの大学でもお配りします

but I have a couple extra if people want it.

オバマ大統領の MIT訪問時に

I was really fortunate to have President Obama visit my lab this year

私の研究室にも

招くことになったので

on his visit to MIT,

and I really wanted to give him a periodic table.

ぜひ周期表を渡したくて

夜遅くに夫に尋ねました

So I stayed up at night and talked to my husband,

「どうやって周期表を渡したらいい？

"How do I give President Obama a periodic table?

What if he says, 'Oh, I already have one,'

持ってるとか 覚えてるとか

or, 'I've already memorized it?'"

言われたらどうしよう」

(Laughter)

大統領が研究室を訪れて

So he came to visit my lab and looked around -- it was a great visit.

素晴らしい視察を終えた時

And then afterward, I said,

こう切り出しました

"Sir, I want to give you the periodic table,

「周期表を差し上げます

in case you're ever in a bind and need to calculate molecular weight."

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」

(Laughter)

モル質量よりも分子量と言う方が

I thought "molecular weight" sounded much less nerdy than "molar mass."

オタクっぽくないかと ...

(Laughter)

大統領は周期表を見て

And he looked at it and said,

「ありがとう

"Thank you. I'll look at it periodically."

周期的に見るよ」

(Laughter)

（笑）

(Applause)

（拍手）

Later in a lecture that he gave on clean energy,

後日 大統領は クリーンエネルギーの講演で

he pulled it out and said,

周期表を出して言いました

"And people at MIT, they give out periodic tables." So ...

「MITでは周期表をもらえる」

まだ言っていませんでしたが

So basically what I didn't tell you

is that about 500 million years ago, the organisms started making materials,

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

but it took them about 50 million years to get good at it --

アワビの貝殻の作り方を

50 million years to learn how to perfect how to make that abalone shell.

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

And that's a hard sell to a graduate student:

「すごいプロジェクトだけど ５千万年かかるの」

"I have this great project ... 50 million years ..."

もっと迅速にやる方法を

So we had to develop a way of trying to do this more rapidly.

開拓しなければなりません

And so we use a nontoxic virus called M13 bacteriophage,

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

whose job is to infect bacteria.

DNAの構造がシンプルで

Well, it has a simple DNA structure

DNA配列の切り貼りが

that you can go in and cut and paste additional DNA sequences into it,

簡単にできます

このようにウイルスを使って

and by doing that, it allows the virus to express random protein sequences.

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

This is pretty easy biotechnology,

遺伝子工学としては簡単で

and you could basically do this a billion times.

無数に繰り返すことができます

So you can have a billion different viruses

一種類のタンパク質を作る

一つの配列を除いて

that are all genetically identical,

but they differ from each other based on their tips,

同じ遺伝子をもつウイルスを

無数に

on one sequence,

作ることができます

that codes for one protein.

Now if you take all billion viruses, and put them in one drop of liquid,

その無数のウイルスを

一滴の液体に入れて

you can force them to interact with anything you want

任意の元素と相互作用させます

on the periodic table.

そして 選択と進化を経て

And through a process of selection evolution,

太陽電池の育成など所望の働きをするウイルスを

you can pull one of a billion that does something you'd like it to do,

一つ選び出せます

like grow a battery or a solar cell.

ウイルスは自己複製できず宿主が必要ですから

Basically, viruses can't replicate themselves; they need a host.

膨大な中から一つ見つけたら

Once you find that one out of a billion,

細菌に感染させて

you infect it into a bacteria, and make millions and billions of copies

その特定の配列を

of that particular sequence.

無数に複製させます

The other thing that's beautiful about biology

生物がすばらしいのは

is that biology gives you really exquisite structures

精密で

精巧な構造物を作る点です

with nice link scales.

These viruses are long and skinny,

こちらの長くて薄いウイルスに

and we can get them to express the ability

発現能力を与えて

to grow something like semiconductors

半導体や電池の材料を

or materials for batteries.

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

Now, this is a high-powered battery that we grew in my lab.

We engineered a virus to pick up carbon nanotubes.

ウイルスを改良して 一部分でカーボンナノチューブを

One part of the virus grabs a carbon nanotube,

つかめるようにしてあって

the other part of the virus has a sequence

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

that can grow an electrode material for a battery,

and then it wires itself to the current collector.

さらに 電極材料を電流コレクタに接続します

And so through a process of selection evolution,

選択と進化を経て

we went from being able to have a virus that made a crummy battery

性能の悪い電池を作っていたウイルスが

性能の良い

to a virus that made a good battery

to a virus that made a record-breaking, high-powered battery

記録的な高出力の電池を作るウイルスに変わりました

that's all made at room temperature, basically at the benchtop.

すべて室温の実験台で作れます

That battery went to the White House for a press conference,

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

and I brought it here.

You can see it in this case that's lighting this LED.

この箱の中で LEDを点灯させています

Now if we could scale this,

もっと大きくできれば

you could actually use it to run your Prius,

実際にプリウスも

動かせるようになります

which is kind of my dream -- to be able to drive a virus-powered car.

ウイルス駆動車を運転するのが私の夢です

(Laughter)

膨大な数の

But basically you can pull one out of a billion,

ウイルスから一つを抜き出して

and make lots of amplifications to it.

大量に複製することができます

Basically, you make an amplification in the lab,

複製は実験室でできます

そうやって 自己組織化させて

and then you get it to self-assemble into a structure like a battery.

電池などを作らせるのです

We're able to do this also with catalysis.

触媒作用も利用できます

This is the example of a photocatalytic splitting of water.

これは 光触媒作用により

水が分離する例です

And what we've been able to do is engineer a virus

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

to basically take dye-absorbing molecules

色素吸着分子を並べて

and line them up on the surface of the virus

アンテナとして機能させ

so it acts as an antenna,

and you get an energy transfer across the virus.

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

And then we give it a second gene to grow an inorganic material

水を 酸素と水素に

that can be used to split water into oxygen and hydrogen,

分解するような

無機材料を育成させます

that can be used for clean fuels.

これでクリーンな燃料を作れます

I brought an example of that with me today.

サンプルを持って来ました

My students promised me it would work.

学生は動くと言っていました

These are virus-assembled nanowires.

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

When you shine light on them, you can see them bubbling.

In this case, you're seeing oxygen bubbles come out.

このサンプルからは酸素の泡が発生します

(Applause)

遺伝子を操作することで

Basically, by controlling the genes,

you can control multiple materials to improve your device performance.

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

The last example are solar cells.

太陽電池でも可能です

You can also do this with solar cells.

We've been able to engineer viruses to pick up carbon nanotubes

ウイルスを改良して

カーボンナノチューブの周りに

and then grow titanium dioxide around them,

電子を輸送するための二酸化チタンを

and use it as a way of getting electrons through the device.

成長させることが可能となりました

And what we've found is through genetic engineering,

遺伝子工学により

we can actually increase the efficiencies of these solar cells

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

to record numbers

最高記録の効率にまで

for these types of dye-sensitized systems.

到達しています

And I brought one of those as well,

一つ持って来ましたので

that you can play around with outside afterward.

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

So this is a virus-based solar cell.

選択と進化を経て

Through evolution and selection,

we took it from an eight percent efficiency solar cell

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

to an 11 percent efficiency solar cell.

So I hope that I've convinced you

自然界の物づくりを知ること

that there's a lot of great, interesting things to be learned

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

about how nature makes materials,

and about taking it the next step,

自然界のやり方を

to see if you can force or take advantage of how nature makes materials,

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

to make things that nature hasn't yet dreamed of making.

Thank you.

ありがとうございました

(Applause)