Eventyr på den intellektuelle legeplads

Et af de mest spændende øjeblikke i Angela Belchers professionelle liv kom under et rutinebesøg i laboratoriet i vinteren 2009. To af hendes kandidatstuderende i MIT's Institut for Materialevidenskab og Engineering forsøgte at udnytte biologiske værktøjer til at lave materialer til et batteri elektrode. De viste hende en petriskål med en virus, de havde konstrueret til at binde til materialer, som den normalt ikke ville have nogen affinitet for - jernfosfat og kulstofnanorør. Virusset havde pænt samlet de to materialer til små ledninger, som skulle vise sig at fungere lige så godt som elektroderne i kommercielle lithium-ion-batterier.

For eleverne var det et lovende resultat. For hende var det dog noget meget større - realiseringen af ​​en dristig idé, som hun engang var blevet frarådet fra selv at forfølge. Da jeg startede, var min drøm virkelig at bruge genetik, eller kontrol af DNA, til at gøre ikke-biologiske enheder bedre, end der kan laves på andre måder. Det var en langsigtet, pie-in-the sky-idé, siger Belcher, der siger, at hun stadig får kuldegysninger af at fortælle historien. Nu havde hendes elever faktisk nået det mål: ved at pille ved generne fra en virus var de i stand til at producere et højtydende elektrodemateriale. Vi var nået hurtigere frem, end jeg havde regnet med, siger hun.

At laboratoriearbejde på virus-dyrkede batterier førte til en papir i Videnskab i 2009 og masser af mediebevågenhed. Batterier er dog kun et muligt produkt af det nye værktøjssæt, som Belcher har været banebrydende for. Hun konstruerer vira, og i nogle tilfælde gær, til at fungere som biologiske fabrikker, der producerer uorganiske materialer med former og strukturer, som ellers ville være svære at lave. Blyantformede vira, der inficerer bakterier, fungerer som en skabelon eller et stillads, hvorpå nanopartikler samles. Viraerne er i stand til at samle højt ordnede nanoskala krystaller eller ledninger, der kan være nyttige i en række forskellige applikationer.

Gennem adskillige samarbejder har Belcher anvendt sine værktøjer til nogle af samfundets største problemer inden for energi, miljø og medicin. Hun har forbedret solcellernes ydeevne og udviklet katalysatorer, der kan spalte brint fra vand til brændstof og omdanne naturgas til industrielle kemikalier. Et firma, hun grundlagde, fandt på nye måder at fremstille materialer til berøringsskærme på, og hendes laboratorium har konstrueret gær til at omdanne affaldskuldioxid fra kraftværker til gulvfliser. Hun er professor i energi i både materialevidenskab og biologisk ingeniørafdeling, og sluttede sig til MITs David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research i 2010 og begyndte også at arbejde på at udtænke diagnostiske værktøjer og behandlinger for kræft. For nylig er hun begyndt at udvikle materialer, der kunne rense og adskille vand fra organisk affald eller olie, og hun er begyndt at arbejde på lithium-luftbatterier til elektriske køretøjer samt energilagringsenheder kaldet superkondensatorer.

Et klassisk Eureka-øjeblik
Bemærkelsesværdigt nok har hun opnået alt dette i en alder af 46 - og det hele går i sidste ende tilbage til abalone-havsneglen.

Belcher, der skabte sit eget pensum, der kombinerede flere videnskabsområder som undergraduat ved University of California, Santa Barbara, blev fascineret af abalonen og valgte det som sit fag, da hun forfulgte en ph.d. i kemi på samme skole. Hun havde tre ph.d.-rådgivere – en kemiker, en molekylærbiolog og en fysiker – som holdt ugentlige møder for at hjælpe hinanden med at bygge bro mellem deres områder. Det var den måde, jeg lærte naturvidenskab på, siger hun. For mig er det en helt normal måde at nærme sig verden på.

Belcher fokuserede på den måde, dyret laver sin skal på. Abaloner producerer proteiner, der kombineres med ioner af calcium og carbonat fra havvand for at danne rækker af bittesmå uorganiske krystaller - en type for en ydre skal og en for en ekstrem stærk indre skal. Da hun en dag tænkte på denne proces, mens hun så ud på havet fra sit kontor, havde Belcher et klassisk eureka-øjeblik. Da hendes blik skiftede fra vinduet til det periodiske system af grundstoffer på hendes væg – højt placeret for ikke at blokere udsynet – spekulerede hun på, om de skalproteiner, hun havde isoleret i sit ph.d.-arbejde, kunne skabe nyttige materialer ved at kombinere med andre grundstoffer.

Jeg tænkte, ville det ikke være interessant i halvledere, hvis du havde et protein, der ville vokse en krystalstruktur i forhold til en anden, og du kunne gøre det med genetisk kontrol, siger Belcher. Det var da jeg satte mig for at tænke på, hvordan man udviklede den genetiske kode for halvledere.

Denne kerne naturinspirerede indsigt – at man kunne bruge genetik til at producere uorganiske materialer – har ført til snesevis af videnskabelige publikationer og en svimlende række af forskningsprojekter. Blandt hendes udmærkelser er et MacArthur genistipendium i 2004, en anerkendelsespris fra den amerikanske hær og dette års $500.000 Lemelson-MIT-pris. Da Barack Obama kom til MIT i 2009 og holdt en tale om energi, orienterede Belcher præsidenten om hendes batteri- og solenergiforskning. (Hun gav ham også et lille kort med det periodiske system og fortalte ham, at det kunne være nyttigt, hvis du nogensinde er i klemme og har brug for at beregne en molekylvægt. Obamas comeback: Tak. Jeg vil se på det med jævne mellemrum. )

Forskere respekterer Belcher for hendes dristige, overordnede ideer og hendes evne til at gøre reelle fremskridt med at omsætte dem til praktiske anvendelser. Ud over sit akademiske arbejde har hun været med til at stifte to virksomheder— Cambrios , som laver et materiale baseret på sølv nanotråde, der registrerer fingerbevægelser på berøringsskærme, og Siluria Technologies, som har udviklet en katalytisk proces til at omdanne naturgas til ethylen, der kan bruges til at lave materialer, der normalt stammer fra petroleum. Hun er meget visionær og meget multidisciplinær, siger Seung-Wuk Lee, der arbejdede med Belcher som kandidatstuderende og nu er fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory og lektor i bioteknik ved University of California, Berkeley. Hun er også lidt praktisk. Hun kan vise sine ideer nu, ikke om 10 år.

En ukonventionel tilgang
Belcher, en syvende generation af texaner, fik sit første job som professor i kemi og biokemi ved University of Texas, Austin, i 1999. Det viste sig at være et godt tidspunkt for forskning i materialevidenskab og bioteknik: nanoteknologi var en lovende nye felt, og livsforskere havde adgang til nye værktøjer til genteknologi. Hun begyndte at arbejde med blyantformede bakteriofager eller fager - naturligt forekommende vira, der inficerer bakterier. Hver viruss gener indeholder instruktioner til at producere et protein, der dækker dens overflade. Forskere kan målrette mod en bestemt slags molekyle ved at bruge en fag, hvis særlige overfladeprotein hænger fast på den - en teknik, der typisk var blevet brugt til lægemiddelopdagelse.

Virusproteinerne binder sig ikke til uorganiske materialer i naturen, men Belcher ville se, om de kunne konstrueres til at gøre det. Kun få måneder efter at være blevet professor skrev hun sit første bevillingsforslag for at teste det koncept, hun først havde udklækket på sit kontor i Santa Barbara: at det ville være muligt at bruge en virus til at binde sig til en halvleder og samle et halvledende materiale som virussen invaderer bakterier. Hun fik kun to svar fra anmeldere. En sagde, at det kunne være interessant, men Belcher havde ikke den videnskabelige baggrund til at gøre det; den anden skrev ganske enkelt: HUN ER VAND.

Selvom hun var ked af det, fortsatte Belcher, fordi hendes erfaring med abalonen, hvis proteiner binder til uorganiske materialer, gav hende tillid til, at det kunne virke. Hun brugte et par hundrede dollars på at købe et hætteglas indeholdende en samling fager konstrueret med tilfældige DNA-indsættelser, der koder for så mange som en milliard proteiner. Ved hjælp af data fra eksperimenter genindsendte hun sin tilskudsidé og blev finansieret af hæren. Inden for et år efter det første afslag udgav hun en papir i Natur demonstrerer, at vira kunne konstrueres til at producere proteiner, der binder til overfladerne af halvledere, en teknik, der ville gøre det muligt i det væsentlige at dyrke materialer til elektronik. Hver virus fungerer som en skabelon, der tiltrækker halvlederkrystaller, der flugter med de proteiner, der dækker virussen. Det banebrydende proof of concept lagde grundlaget for alt det ingeniørarbejde, hun har udført siden.

Med Belchers metode udsætter laboratorieforskere omkring en milliard virusvarianter for et materiale som et metal eller en halvleder, og identificerer og isolerer de proteiner, der binder bedst til det. De vira, der producerer dem, placeres derefter i en opløsning, der indeholder bakterier. De inficerer bakterierne, som laver millioner af kopier af virussen og dens særlige DNA-sekvens. Til sidst introduceres de i en opløsning, der indeholder materialet af interesse. En virus, der binder sig stærkt til guld, sættes for eksempel i en opløsning, der indeholder guldioner. Guldet vil krystallisere langs virusets overflade og tilpasse sig formen af ​​proteinet på dets pels.

Ved hjælp af genteknologi modificerer videnskabsmænd virusets DNA-sekvens for yderligere at kontrollere, hvordan den binder. De kan lokke den til at samle flere materialer, såsom guld og platin, eller de kan kontrollere formen af ​​de strukturer, som en virus vil generere ved at vælge, om partikler binder sig langs dens sider eller ved dens spids. Efterhånden som vira replikerer, kan de samle betydelige mængder af et ønsket materiale. Forskere kan også vejlede dannelsen af ​​materialer ved at ændre vækstbetingelserne, såsom koncentrationen af ​​virussen i en opløsning. Afhængigt af hvad der er behov for, kan de danne enten tilfældigt orienterede strukturer eller en mere velordnet, repeterbar arkitektur.

Processen er vandbaseret og giver forskere mulighed for at fremstille materialer under miljøvenlige forhold, ved stuetemperatur og under almindeligt tryk. Det er en stor fordel i forhold til traditionelle fremstillingsteknikker til halvledere eller elektroniske kredsløb, som kan kræve komplekst maskineri, giftige materialer og høje temperaturer.

Et samarbejde med professorerne Yet-Ming Chiang og Paula Hammond gav et virusdyrket anodemateriale i 2006.

Disney for forskere
Da Belcher var på University of Texas, tiltrak hendes banebrydende forskning i viral vækst af uorganiske materialer megen opmærksomhed i den akademiske verden. Rekrutteret af en række steder tog hun et par ture til MIT, som hun kalder Disneyland for videnskabsmænd og ingeniører, og indså, at det passede godt. Hvert møde, jeg gik til med fakultetet, kunne jeg se sammenhængen til deres arbejde, og folk var så begejstrede for deres forskning, siger hun. Og det er ikke sådan, at de holder det tæt på sig selv - de samarbejder over hele campus. Det periodiske diagram, hun gav præsident Obama – et af en gemme kort, hun havde udskrevet for at dele ud til nybegyndere – inkluderer en tagline, der fanger, hvordan hun havde det, da hun ankom til instituttet: Velkommen til MIT. Nu er du i dit element.

Et af de første partnerskaber, som Belcher dannede ved MIT, var med professor i kemiingeniør Paula Hammond ’84, PhD ’93. Efter at have talt om deres forskning besluttede de at arbejde på et projekt, der skulle lave sensorer, der opdager biologiske agenser. Hun ønskede at forstå, hvilken slags videnskab der foregik omkring hende, og hvilke slags udviklinger hun kunne bidrage til, siger Hammond. Hun var virkelig i gang med at opbygge sit samarbejdsfællesskab.

I mellemtiden var Belcher i gang med at forbedre den grundlæggende videnskab i sit virusværktøjssæt og udvidede sin palet af materialer. I eksperimenter arbejdede hendes laboratorium gennem det periodiske system og så, hvad vi var gode til at lave, siger hun. Succes med metaller og metaloxider førte til et samarbejde om batteriforskning med Hammond og Yet-Ming Chiang ’80, ScD ’85, en materialeforsker, der var med til at stifte batterivirksomheden A123 Systems. I 2006 var de tre medforfatter til en papir i Videnskab beskriver en viral vækstmetode til fremstilling af nanotråde af koboltoxid, et anodemateriale til et genopladeligt lithium-ion-batteri, på fleksible polymerfilm.

Selvom det var imponerende, havde de kun skabt et halvt batteri, som både har brug for en anode og en katode. Belcher samlede derefter et drømmehold, der omfattede professorerne Gerbrand Ceder og Michael Stano. De konstruerede en virus til at dyrke jernfosfat langs dens overflade og danne nanotråde til at tjene som katodemateriale.

Gruppen gik derefter et skridt videre, i jagten på et batteri, der kunne bruges til biler. Det er sværere at bygge en katode til et hurtigt afladet batteri end at bygge en anode, fordi sådanne elektroder skal være stærkt ledende, men alligevel er de sikre og billige materialer, som Belchers team udforskede for katoder, mere isolerende og ledende ikke godt. For at løse dette konstruerede Belchers gruppe et gen, der tvang virussen til at låse sig fast på kulstofnanorør. Mens jernfosfatet samles langs de lange sider af virussens blyantlignende form, hæfter nanorørene til dens spids og skaber et netværk af elektriske kontakter, der hjælper med strømmen af ​​elektroner og forbedrer batteriets kraft.

Det var det arbejde, der førte til banebrydningen Videnskab papir fra 2009, hvor forskerne beskrev, hvordan de byggede en prototype, der matchede kraften og energikapaciteten af ​​de bedste batterier på det tidspunkt. Fordi elektroderne kunne samles på polymerfilm, der fungerer som elektrolytten, kan teknologien føre til tynde, fleksible batterier eller batterier, der tager form af deres beholder. Susan Hockfield, daværende MITs præsident, demonstrerede prototypen, som tænder en lille LED-pære, på en pressekonference i Washington med præsident Obama om betydningen af ​​føderale midler til energiforskning.

Altid intenst fokuseret på forskning, der kunne have en bred indvirkning, brainstormede Belcher også med Hammond om, hvordan de kunne forbedre solenergi. De valgte farvesensibiliserede solceller, hvor det aktive lag er lavet af farvestofbelagt titaniumdioxid. Selvom sådanne celler er billige, omdanner de ikke lys til elektricitet effektivt nok til brug på tage eller i brugsskalaapplikationer. Men arbejdet med at få vira til at inkorporere kulstofnanorør i batterikatoder gav en vej til et stort spring i effektivitet.

I 2011 konstruerede Belchers laboratorium en virus, der samler kulstofnanorør langs dens længde på en velordnet måde. Derefter vokser virussen et ydre lag af titaniumdioxid omkring nanorørene. Ligesom i batteriarbejdet skaber nanorørene bittesmå ledninger til elektrisk strøm i solcellen. Tilføjelse af det virusbyggede materiale til cellen øger effektiviteten med mere end 30 procent. Hendes laboratorium har også startet et projekt for at prøve det samme med solceller lavet af silicium, det dominerende materiale i industrien. Det er sådan, vi griber det an: er der nogen måde, vi kan anvende biologi på en ny måde? hun siger.

Forgrener sig
Da Belcher opnåede resultater inden for energi, opfordrede kolleger ved MIT, inklusive pioneren for medicinlevering Robert Langer, hende til at anvende sin ekspertise inden for nanovidenskab til kræft. Først var hun tilbageholdende og en smule skræmt. Hun var mere fortrolig med batterielektroder end kræftceller, og hun var ikke sikker på, hvilket bidrag hun kunne yde. Men hun kastede sig i sidste ende ud i det, gennemgik kræft-tutorials med kolleger og samarbejdede igen med andre forskere, herunder MIT-professor Sangeeta Bhatia, SM ’93, PhD ’97. Vi skulle lære alt fra bunden, siger Belcher om sit laboratoriums kræftarbejde. Vi kunne aldrig have gået ind i det på egen hånd.

Nu arbejder hun og Bhatia på en kirurgisk sonde for at lokalisere meget små tumorer. En metode, som deres laboratorier udvikler, bruger en virus, der er udviklet til at binde sig til kræftceller og kulstofnanorør. En væske, der indeholder vira, der allerede er bundet til nanorør, vil blive sprøjtet ind i blodbanen eller bughulen for at opsøge tumorer. Når viraene er knyttet til en tumor, vil nanorørene lyse under infrarødt lys, hvilket gør det muligt for læger at se tumoren med et specialiseret kamera. Med de nuværende metoder er det ofte udfordrende at afbilde ovarietumorer mindre end en centimeter i diameter uden operation. Men dette system har isoleret tumorer på en millimeter i diameter i forsøg med dyr. Stadig eksperimentel, kan teknikken være mest nyttig til at lokalisere tumorer, der er svære at finde, og som tidlig påvisning kan være mest nyttig - såsom ovarie- og bugspytkirteltumorer, siger hun. Belchers team undersøger også måder at levere lægemidler ved hjælp af vira, der er udviklet til at binde sig til kræftceller.

Blander det sammen
Belchers genetiske værktøjssæt har vist sig alsidigt, men stor videnskab forklarer ikke fuldt ud hendes evne til at arbejde på tværs af så mange felter. I sit laboratorium skaber hun et miljø, hvor eksperter fra forskellige discipliner – kemikere, molekylærbiologer, fysikere og maskiningeniører – angriber problemer på unikke måder. Berkeleys Lee sluttede sig for eksempel til Belchers laboratorium med en baggrund i polymerkemi, men siger, at han ved at arbejde sammen med andre i laboratoriet lærte nok materialevidenskab og bioteknik til at undersøge virusbyggede halvledere. Hun har en ret uhyggelig evne til at vælge et fantastisk sæt mennesker til sit laboratorium på grænserne af en masse forskellige discipliner, hvor en masse interessant videnskab typisk finder sted, siger Eric Krauland, PhD '07, direktør for antistofopdagelse og optimering hos biotekvirksomheden Adimab og en tidligere ph.d.-studerende i Belchers laboratorium. Og hun er ikke bange for at ansætte folk, der ved mere, end hun gør på et bestemt område. De lærer mig, siger hun. Det er virkelig et samarbejde - jeg får bare det store kontor.

Belcher kan lide at kalde MIT for en intellektuel legeplads på grund af de rigelige muligheder for at dele ideer om banebrydende forskning. Det er ikke drevet af penge eller det næste papir. Det er drevet af 'Wow, lad os se, hvad vi kan gøre sammen', siger hun. Det er derfor, det er sjovt - derfor virker det slet ikke som et job.

Hvis der løber en rød tråd gennem Belchers arbejde, er det en tro på, at teknologi og teknik kan hjælpe med at løse samfundsproblemer. I en tale, hun holdt, da hun tog imod Lemelson-MIT-prisen i juli, opfordrede hun gymnasieelever, der havde vundet præmier fra Lemelson Foundation for at forsøge at gøre verden til et bedre sted. Ved at bruge nogle af præmiepengene har hun til hensigt at udvide et opsøgende program, hun har brugt til at tænde børn i skolealderens interesse for naturvidenskab gennem praktiske eksperimenter. Hun besøger skoler og museer for at være vært for samtaler med elever lige fra børnehave til gymnasiet, og leder dem i eksperimenter som at isolere DNA fra deres kinder. Belcher har gode minder om at pusle, bygge ting i garagen og – på trods af at hun var ordblind – tilbragte timer på biblioteket med at læse bøger om medicin, da hun var en ung pige. Hun håber at kunne dele denne passion for videnskab med sine sønner, der er syv og tre.

Belcher forstår vigtigheden af ​​at starte tidligt: ​​Hun blev selv fascineret af livets oprindelse og den mikroskopiske verden, da hun knap var i folkeskolen. Den samme barnlige fascination - og et ønske om at gøre en forskel - er stadig det, der brænder hende i dag. Jeg elsker at løse problemer, der er vigtige for planeten, siger hun. Hver eneste dag vågner jeg ved, at der sker noget interessant i laboratoriet.

skjule