Abenteuer auf dem geistigen Spielplatz

Einer der aufregendsten Momente in Angela Belchers Berufsleben war ein Routinebesuch im Labor im Winter 2009. Zwei ihrer Doktoranden am Department of Materials Science and Engineering des MIT versuchten, biologische Werkzeuge zu nutzen, um Materialien für eine Batterie herzustellen Elektrode. Sie zeigten ihr eine Petrischale mit einem Virus, das sie entwickelt hatten, um an Materialien zu binden, für die es normalerweise keine Affinität hätte – Eisenphosphat und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Das Virus hatte die beiden Materialien ordentlich zu winzigen Drähten zusammengefügt, die sich herausstellen sollten, genauso gut zu funktionieren wie die Elektroden in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien.

Angela Belcher

Für die Studierenden ein vielversprechendes Ergebnis. Für sie war es jedoch etwas viel Größeres – die Verwirklichung einer kühnen Idee, von der sie einst entmutigt worden war, sie zu verfolgen. Als ich anfing, war mein Traum wirklich, Genetik oder die Kontrolle der DNA zu nutzen, um nichtbiologische Geräte besser zu machen, als sie auf andere Weise hergestellt werden können. Es war eine längerfristige Idee, die im Himmel steckt, sagt Belcher, die sagt, dass sie immer noch Schüttelfrost bekommt, wenn sie die Geschichte erzählt. Dieses Ziel hatten ihre Schüler nun tatsächlich erreicht: Durch Basteln an den Genen eines Virus konnten sie ein Hochleistungselektrodenmaterial herstellen. Wir waren schneller da, als ich erwartet hatte, sagt sie.

Diese Laborarbeit an durch Viren gezüchteten Batterien führte zu einem Papier in Wissenschaft 2009 und viel Medienaufmerksamkeit. Batterien sind jedoch nur ein mögliches Produkt des neuartigen Baukastens, den Belcher entwickelt hat. Sie konstruiert Viren und in einigen Fällen Hefen, um als biologische Fabriken zu fungieren, die anorganische Materialien mit Formen und Strukturen produzieren, die sonst schwer herzustellen wären. Bleistiftförmige Viren, die Bakterien infizieren, dienen als Vorlage oder Gerüst, auf dem sich Nanopartikel ansammeln. Die Viren sind in der Lage, hochgeordnete nanoskalige Kristalle oder Drähte zusammenzusetzen, die in einer Vielzahl von Anwendungen nützlich sein können.



Durch zahlreiche Kooperationen hat Belcher ihre Werkzeuge auf einige der größten Probleme der Gesellschaft in den Bereichen Energie, Umwelt und Medizin angewendet. Sie hat die Leistung von Solarzellen verbessert und Katalysatoren entwickelt, die Wasserstoff aus Wasser als Treibstoff spalten und Erdgas in Industriechemikalien umwandeln können. Ein von ihr gegründetes Unternehmen entwickelte neue Wege zur Herstellung von Materialien für Touchscreen-Displays, und ihr Labor hat Hefe entwickelt, um Kohlendioxid aus Kraftwerksabfällen in Bodenfliesen umzuwandeln. Als Professorin für Energie sowohl in den Abteilungen Materialwissenschaft als auch Bioingenieurwesen trat sie 2010 dem David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT bei und begann auch an der Entwicklung von Diagnosewerkzeugen und Behandlungen für Krebs zu arbeiten. In jüngerer Zeit hat sie mit der Entwicklung von Materialien begonnen, die Wasser aus organischem Abfall oder Öl reinigen und trennen könnten, und sie hat begonnen, an Lithium-Luft-Batterien für Elektrofahrzeuge sowie an Energiespeichern, sogenannten Superkondensatoren, zu arbeiten.

Ein klassischer Heureka-Moment
Bemerkenswerterweise hat sie all dies im Alter von 46 Jahren erreicht – und alles geht letztendlich auf die Abalone-Meeresschnecke zurück.

Belcher, die als Studentin an der University of California, Santa Barbara, ihren eigenen Lehrplan erstellte, der mehrere naturwissenschaftliche Bereiche kombinierte, wurde von der Abalone fasziniert und wählte sie als ihr Fach, als sie an derselben Schule in Chemie promovierte. Sie hatte drei Doktorandenberater – einen Chemiker, einen Molekularbiologen und einen Physiker –, die wöchentliche Treffen abhielten, um sich gegenseitig zu helfen, die Lücken zwischen ihren Fachgebieten zu schließen. So habe ich Naturwissenschaften gelernt, sagt sie. Für mich ist es eine ganz normale Art, sich der Welt zu nähern.

Belcher konzentrierte sich auf die Art und Weise, wie das Tier seine Schale bildet. Abalone produzieren Proteine, die sich mit Kalzium- und Karbonat-Ionen aus Meerwasser verbinden, um Reihen winziger anorganischer Kristalle zu bilden – eine Art für eine äußere Hülle und eine für eine extrem starke innere Hülle. Als Belcher eines Tages über diesen Prozess nachdachte, während sie von ihrem Büro aus auf das Meer blickte, erlebte sie einen klassischen Heureka-Moment. Als ihr Blick vom Fenster zum Periodensystem der Elemente an ihrer Wand wanderte – hoch platziert, um die Sicht nicht zu blockieren – fragte sie sich, ob die Schalenproteine, die sie in ihrer Doktorarbeit isoliert hatte, durch Kombination mit anderen Elementen nützliche Materialien erzeugen könnten.

Ich dachte, wäre es für Halbleiter nicht interessant, wenn Sie ein Protein hätten, das eine Kristallstruktur gegenüber einer anderen wachsen lässt und dies mit genetischer Kontrolle tun könnte, sagt Belcher. Da habe ich mir überlegt, wie ich diesen genetischen Code für Halbleiter entwickeln könnte.

Angela Belcher-Zeitleiste

Diese grundlegende, von der Natur inspirierte Erkenntnis – dass man die Genetik nutzen könnte, um anorganische Materialien herzustellen – hat zu Dutzenden von wissenschaftlichen Veröffentlichungen und einer schwindelerregenden Vielfalt von Forschungsprojekten geführt. Zu ihren Auszeichnungen gehören ein MacArthur Genius Grant im Jahr 2004, ein Anerkennungspreis der US-Armee und der diesjährige Lemelson-MIT Prize in Höhe von 500.000 US-Dollar. Als Barack Obama 2009 zum MIT kam und eine Rede zum Thema Energie hielt, informierte Belcher die Präsidentin über ihre Batterie- und Solarforschung. (Sie gab ihm auch eine kleine Karte mit dem Periodensystem und sagte ihm, dass es nützlich sein könnte, wenn Sie jemals in einer Zwickmühle sind und ein Molekulargewicht berechnen müssen. Obamas Comeback: Danke. Ich werde es mir regelmäßig ansehen. )

Wissenschaftler schätzen Belcher für ihre kühnen, groß angelegten Ideen und ihre Fähigkeit, echte Fortschritte bei der Umsetzung in praktische Anwendungen zu erzielen. Neben ihrer wissenschaftlichen Tätigkeit hat sie zwei Unternehmen mitgegründet – Cambrios , das ein auf Silbernanodrähten basierendes Material herstellt, das Fingerbewegungen auf Touchscreens erkennt, und Siluria Technologies, das einen katalytischen Prozess entwickelt hat, um Erdgas in Ethylen umzuwandeln, das zur Herstellung von Materialien verwendet werden kann, die normalerweise aus Erdöl gewonnen werden. Sie ist sehr visionär und sehr multidisziplinär, sagt Seung-Wuk Lee, die als Doktorandin bei Belcher gearbeitet hat und jetzt Fakultätswissenschaftlerin am Lawrence Berkeley National Laboratory und außerordentliche Professorin für Bioingenieurwesen an der University of California, Berkeley, ist. Sie ist auch praktisch. Sie kann ihre Ideen jetzt demonstrieren, nicht in 10 Jahren.

Ein unkonventioneller Ansatz
Belcher, eine Texanerin in der siebten Generation, erhielt 1999 ihre erste Stelle als Professorin für Chemie und Biochemie an der University of Texas, Austin. Es stellte sich heraus, dass es eine gute Zeit für die Forschung in den Materialwissenschaften und Biotechnologie war: Nanotechnologie war vielversprechend aufstrebenden Gebiet, und Biowissenschaftler hatten Zugang zu neuen Werkzeugen für die Gentechnik. Sie begann mit bleistiftförmigen Bakteriophagen oder Phagen zu arbeiten – natürlich vorkommenden Viren, die Bakterien infizieren. Die Gene jedes Virus enthalten Anweisungen, um ein Protein zu produzieren, das seine Oberfläche bedeckt. Forscher können auf eine bestimmte Art von Molekül abzielen, indem sie einen Phagen verwenden, an den sich ein bestimmtes Oberflächenprotein heftet – eine Technik, die normalerweise für die Wirkstoffforschung verwendet wurde.

Die Virusproteine ​​binden in der Natur nicht an anorganische Materialien, aber Belcher wollte sehen, ob sie dafür konstruiert werden könnten. Nur wenige Monate nach ihrer Berufung als Professorin verfasste sie ihren ersten Stipendienantrag, um das Konzept zu testen, das sie in ihrem Büro in Santa Barbara erstmals ausgebrütet hatte: dass es möglich sein würde, einen Halbleiter mit einem Virus zu binden und ein halbleitendes Material zusammenzubauen, das Virus dringt in Bakterien ein. Sie erhielt nur zwei Antworten von Rezensenten. Einer sagte, es könnte interessant sein, aber Belcher hatte nicht den wissenschaftlichen Hintergrund, um es zu tun; der andere schrieb einfach: SIE IST Wahnsinnig.

Obwohl sie verärgert war, fuhr Belcher fort, weil ihre Erfahrung mit der Abalone, deren Proteine ​​​​an anorganische Materialien binden, ihr die Zuversicht gaben, dass es funktionieren könnte. Sie gab ein paar hundert Dollar aus, um ein Fläschchen mit einer Sammlung von Phagen zu kaufen, die mit zufälligen DNA-Inserts versehen waren, die für bis zu einer Milliarde Proteine ​​kodieren. Mit Daten aus Experimenten reichte sie ihre Stipendienidee erneut ein und wurde von der Armee finanziert. Innerhalb eines Jahres nach der ersten Ablehnung veröffentlichte sie a Papier in Natur Dies zeigte, dass Viren so konstruiert werden könnten, dass sie Proteine ​​produzieren, die sich an die Oberflächen von Halbleitern binden, eine Technik, die es ermöglichen würde, im Wesentlichen Materialien für die Elektronik zu züchten. Jedes Virus fungiert als Templat, das Halbleiterkristalle anzieht, die sich an den Proteinen ausrichten, die das Virus umhüllen. Dieser bahnbrechende Proof of Concept legte den Grundstein für all die Ingenieursarbeiten, die sie seitdem geleistet hat.

Mit der Methode von Belcher setzen Laborforscher etwa eine Milliarde Virusvarianten einem Material wie einem Metall oder Halbleiter aus und identifizieren und isolieren die Proteine, die sich am besten daran anlagern. Die Viren, die sie produzieren, werden dann in eine bakterienhaltige Lösung gegeben. Sie infizieren die Bakterien, die Millionen von Kopien des Virus und seiner speziellen DNA-Sequenz herstellen. Schließlich werden sie in eine Lösung eingebracht, die das interessierende Material enthält. Ein Virus, das beispielsweise stark an Gold bindet, wird in eine Lösung gegeben, die Goldionen enthält. Das Gold kristallisiert entlang der Virusoberfläche und passt sich der Form des Proteins auf seiner Hülle an.

Mithilfe von Gentechnik modifizieren Wissenschaftler die DNA-Sequenz des Virus, um seine Bindung weiter zu kontrollieren. Sie können es dazu bringen, mehrere Materialien wie Gold und Platin zusammenzusetzen, oder sie können die Form der Strukturen steuern, die ein Virus erzeugt, indem sie wählen, ob Partikel an seinen Seiten oder an seiner Spitze binden. Wenn sich die Viren replizieren, können sie erhebliche Mengen eines gewünschten Materials zusammensetzen. Forscher können auch die Bildung von Materialien steuern, indem sie die Wachstumsbedingungen ändern, beispielsweise die Konzentration des Virus in einer Lösung. Je nach Bedarf können sie entweder zufällig orientierte Strukturen oder eine geordnetere, wiederholbare Architektur bilden.

Das Verfahren basiert auf Wasser und ermöglicht es Wissenschaftlern, Materialien unter umweltfreundlichen Bedingungen, bei Raumtemperatur und unter normalem Druck herzustellen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Fertigungstechniken für Halbleiter oder elektronische Schaltungen, die komplexe Maschinen, giftige Materialien und hohe Temperaturen erfordern können.

Angela Belcher, Yet-Ming Chiang und Paula Hammond

Eine Zusammenarbeit mit den Professoren Yet-Ming Chiang und Paula Hammond ergab 2006 ein durch Viren gezüchtetes Anodenmaterial.

Disney für Wissenschaftler
Als Belcher an der University of Texas war, erregte ihre bahnbrechende Forschung zum viralen Wachstum anorganischer Materialien viel Aufmerksamkeit in der akademischen Welt. Von verschiedenen Stellen rekrutiert, unternahm sie einige Reisen zum MIT, das sie Disneyland für Wissenschaftler und Ingenieure nennt, und stellte fest, dass es gut passte. Bei jedem Treffen mit den Fakultäten konnte ich die Verbindung zu ihrer Arbeit sehen und die Leute waren so begeistert von ihrer Forschung, sagt sie. Und es ist nicht so, dass sie es für sich behalten – sie arbeiten auf dem gesamten Campus zusammen. Das Periodendiagramm, das sie Präsident Obama überreichte – eine von vielen Karten, die sie gedruckt hatte, um sie an Studienanfänger zu verteilen – enthält einen Slogan, der festhält, wie sie sich bei ihrer Ankunft am Institut fühlte: Willkommen am MIT. Jetzt bist du in deinem Element.

Eine der ersten Partnerschaften, die Belcher am MIT einging, war die mit der Chemieingenieursprofessorin Paula Hammond ’84, PhD ’93. Nachdem sie über ihre Forschung gesprochen hatten, beschlossen sie, an einem Projekt zu arbeiten, um Sensoren zu entwickeln, die biologische Stoffe erkennen. Sie wollte verstehen, welche Wissenschaften um sie herum vorgingen und zu welchen Entwicklungen sie beitragen konnte, sagt Hammond. Sie baute wirklich ihre kollaborative Gemeinschaft auf.

Unterdessen verbesserte Belcher die Grundlagen ihres Viren-Toolkits und erweiterte ihre Materialpalette. In Experimenten arbeitete ihr Labor das Periodensystem durch und sah, was wir gut konnten, sagt sie. Der Erfolg mit Metallen und Metalloxiden führte zu einer Zusammenarbeit in der Batterieforschung mit Hammond und Yet-Ming Chiang ’80, ScD ’85, einem Materialwissenschaftler, der das Batterieunternehmen A123 Systems mitbegründete. Im Jahr 2006 haben die drei gemeinsam a Papier in Wissenschaft Beschreiben eines Viruswachstumsverfahrens zur Herstellung von Kobaltoxid-Nanodrähten, einem Anodenmaterial für eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie, auf flexiblen Polymerfilmen.

Das war zwar beeindruckend, aber sie hatten nur eine halbe Batterie geschaffen, die sowohl eine Anode als auch eine Kathode benötigt. Belcher stellte daraufhin ein Dreamteam zusammen, zu dem die Professoren Gerbrand Ceder und Michael Stano gehörten. Sie entwickelten ein Virus, um Eisenphosphat entlang seiner Oberfläche zu wachsen und Nanodrähte zu bilden, die als Kathodenmaterial dienen.

Als nächstes ging die Gruppe einen Schritt weiter und suchte nach einer Batterie, die für Autos verwendet werden könnte. Der Bau einer Kathode für eine sich schnell entladende Batterie ist schwieriger als der Bau einer Anode, da solche Elektroden hochleitfähig sein müssen, aber die sicheren und kostengünstigen Materialien, die Belchers Team für Kathoden untersucht hat, sind isolierender und leiten nicht gut. Um dies zu beheben, entwickelte Belchers Gruppe ein Gen, das das Virus dazu zwingt, sich an Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu binden. Während sich das Eisenphosphat an den langen Seiten der bleistiftähnlichen Form des Virus ansammelt, heften sich die Nanoröhrchen an seine Spitze und bilden ein Netzwerk aus elektrischen Kontakten, die den Elektronenfluss unterstützen und die Leistung der Batterie verbessern.

Das war die Arbeit, die zum Spatenstich führte Wissenschaft Papier aus dem Jahr 2009, in dem die Forscher beschrieben, wie sie einen Prototyp gebaut haben, der der Leistung und Energiekapazität der damals besten Batterien entsprach. Da sich die Elektroden auf Polymerfolien aufbauen könnten, die als Elektrolyt dienen, könnte die Technologie zu dünnen, flexiblen Batterien oder Batterien führen, die die Form ihres Behälters annehmen. Susan Hockfield, damals Präsidentin des MIT, demonstrierte den Prototyp, der eine kleine LED-Glühbirne beleuchtet, auf einer Pressekonferenz in Washington mit Präsident Obama über die Bedeutung von Bundesmitteln für die Energieforschung.

Immer intensiv auf Forschung konzentriert, die weitreichende Auswirkungen haben könnte, hat Belcher mit Hammond auch darüber nachgedacht, wie sie die Solarenergie verbessern könnten. Sie wählten farbstoffsensibilisierte Solarzellen, bei denen die aktive Schicht aus farbstoffbeschichtetem Titandioxid besteht. Obwohl solche Zellen kostengünstig sind, wandeln sie Licht nicht effizient genug in Strom um, um sie auf Dächern oder in Großanwendungen zu verwenden. Aber die Arbeit, Viren dazu zu bringen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Batteriekathoden einzubauen, bot einen Weg für einen großen Effizienzsprung.

Im Jahr 2011 entwickelte Belchers Labor ein Virus, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen entlang seiner Länge in geordneter Weise zusammenfügt. Dann bildet das Virus eine äußere Schicht aus Titandioxid um die Nanoröhren herum. Wie bei der Batteriearbeit erzeugen die Nanoröhren in der Solarzelle winzige Drähte für den elektrischen Strom. Das Hinzufügen des Virus-gebauten Materials zur Zelle steigert die Effizienz um mehr als 30 Prozent. Ihr Labor hat auch ein Projekt gestartet, um dasselbe mit Solarzellen aus Silizium, dem dominierenden Material in der Industrie, zu versuchen. So gehen wir vor: Können wir die Biologie irgendwie neu anwenden? Sie sagt.

Verzweigung
Als Belcher Erfolge im Energiebereich sammelte, ermutigten Kollegen am MIT, darunter der Pionier der Wirkstofffreisetzung, Robert Langer, sie, ihr Fachwissen in den Nanowissenschaften auf Krebs anzuwenden. Anfangs war sie zurückhaltend und etwas eingeschüchtert. Sie war eher mit Batterieelektroden vertraut als mit Krebszellen und war sich nicht sicher, welchen Beitrag sie leisten könnte. Aber schließlich stürzte sie sich hinein, ging mit Kollegen durch Krebs-Tutorials und arbeitete wieder mit anderen Forschern zusammen, darunter MIT-Professorin Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97. Wir mussten alles von Grund auf neu lernen, sagt Belcher über die Krebsforschung ihres Labors. Alleine hätten wir darauf nie eingehen können.

Jetzt arbeiten sie und Bhatia an einer chirurgischen Sonde, um sehr kleine Tumore zu lokalisieren. Eine Methode, die ihre Labore entwickeln, verwendet ein Virus, das so konstruiert wurde, dass es an Krebszellen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen bindet. Eine Flüssigkeit, die bereits an Nanoröhren gebundene Viren enthält, würde in die Blutbahn oder die Bauchhöhle injiziert, um Tumore aufzuspüren. Wenn sich die Viren an einen Tumor anhefteten, glühten die Nanoröhrchen unter Infrarotlicht, sodass Ärzte den Tumor mit einer speziellen Kamera betrachten konnten. Mit den aktuellen Methoden ist es oft schwierig, Eierstocktumore mit einem Durchmesser von weniger als einem Zentimeter ohne Operation abzubilden. Aber dieses System hat in Tierversuchen Tumore mit einem Durchmesser von einem Millimeter isoliert. Noch experimentell, könnte die Technik am nützlichsten sein, um Tumore zu lokalisieren, die schwer zu finden sind und bei denen eine Früherkennung am hilfreichsten sein kann – wie Eierstock- und Bauchspeicheldrüsentumore, sagt sie. Das Team von Belcher erforscht auch Wege, um Medikamente mithilfe von Viren zu verabreichen, die so konstruiert sind, dass sie sich an Krebszellen anlagern.

Mischen Sie es zusammen
Belchers genetischer Werkzeugkasten hat sich als vielseitig erwiesen, aber die großartige Wissenschaft erklärt ihre Fähigkeit, in so vielen Bereichen zu arbeiten, nicht vollständig. In ihrem Labor schafft sie eine Umgebung, in der Experten unterschiedlicher Disziplinen – Chemiker, Molekularbiologen, Physiker und Maschinenbauer – Probleme auf einzigartige Weise angehen. Lee von Berkeley zum Beispiel kam mit einem Hintergrund in Polymerchemie zu Belchers Labor, sagt aber, dass er durch die Zusammenarbeit mit anderen im Labor genug Materialwissenschaften und Biotechnik gelernt hat, um in Viren gebaute Halbleiter zu untersuchen. Sie hat eine ziemlich unheimliche Fähigkeit, eine großartige Gruppe von Leuten für ihr Labor an den Grenzen vieler verschiedener Disziplinen auszuwählen, in denen normalerweise viele interessante Wissenschaften stattfinden, sagt Eric Krauland, PhD '07, der Direktor für Antikörperentdeckung und -optimierung. beim Biotech-Unternehmen Adimab und ehemaliger Doktorand in Belchers Labor. Und sie scheut sich nicht, Leute einzustellen, die in einem bestimmten Bereich mehr wissen als sie. Sie lehren mich, sagt sie. Es ist wirklich eine Zusammenarbeit – ich bekomme nur das große Büro.

Belcher bezeichnet das MIT gerne als intellektuellen Spielplatz, da es zahlreiche Möglichkeiten gibt, Ideen zur Spitzenforschung auszutauschen. Es wird nicht von Geld oder der nächsten Zeitung angetrieben. Es wird von „Wow, lass uns sehen, was wir zusammen machen können“ angetrieben, sagt sie. Deshalb macht es Spaß – deshalb scheint es überhaupt kein Job zu sein.

Wenn sich ein roter Faden durch Belchers Arbeit zieht, ist es die Überzeugung, dass Technologie und Ingenieurskunst dazu beitragen können, gesellschaftliche Probleme anzugehen. In einer Rede, die sie im Juli hielt, als sie den Lemelson-MIT-Preis entgegennahm, forderte sie die gewonnenen Gymnasiasten auf, Preise von der Lemelson Foundation, um die Welt zu einem besseren Ort zu machen. Mit einem Teil des Preisgeldes will sie ein Outreach-Programm ausbauen, mit dem sie bereits Schulkinder durch praktisches Experimentieren für Naturwissenschaften begeistern kann. Sie besucht Schulen und Museen, hält Gespräche mit Schülern vom Kindergarten bis zum Gymnasium und führt sie zu Experimenten wie der Isolierung von DNA aus ihren Wangen. Belcher hat gute Erinnerungen an Basteln, Bauen in der Garage und - obwohl sie Legastheniker war - als junges Mädchen stundenlang in der Bibliothek Bücher über Medizin zu lesen. Diese Leidenschaft für die Wissenschaft möchte sie mit ihren sieben und dreijährigen Söhnen teilen.

Belcher weiß, wie wichtig es ist, früh anzufangen: Schon in der Grundschule war sie selbst von den Ursprüngen des Lebens und der mikroskopischen Welt fasziniert. Dieselbe kindliche Faszination – und der Wunsch, etwas zu bewegen – treibt sie auch heute noch an. Ich liebe es, Probleme zu lösen, die für den Planeten wichtig sind, sagt sie. Jeden Tag wache ich auf und weiß, dass im Labor etwas Interessantes passiert.

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