Текст книги "Время живых машин. Биологическая революция в технологиях"

Еще в начале своей карьеры Энджи Белчер поняла, что, возможно, у нее есть средства, которые помогут решить проблему. Добившись успеха в том, что в своей первой заявке на грант она называла “эволюцией” вирусов в варианты, способные “организовать” небиологические материалы, такие как арсенид галлия и кремний, в полупроводники, она начала размышлять о том, как можно использовать эти новые инструменты для создания аккумуляторов. Ее работа была своевременной и прекрасно отвечала зарождающемуся тренду.

Результаты работы Белчер с вирусами и полупроводниками дали ей уверенность в том, что вирусы способны организовывать материал на наноуровне. Она начала экспериментировать, чтобы выяснить, как далеко можно зайти в использовании биологических организмов для того, чтобы небиологические элементы превратились в полезные системы. “Я хотела знать, – рассказывала она, – какие из элементов периодической таблицы мои вирусы смогут использовать для создания новых структур”. Не на все элементы вирусы накидывались с одинаковой жадностью. Но исследовательница выяснила, что металлы и оксиды металлов работают достаточно хорошо. Это ее порадовало, потому что она обратила внимание на то, что связывающиеся с вирусами элементы могут быть использованы для создания электродов, которые, в свою очередь, возможно, открыли бы путь к новому, эффективному, экологически чистому и дешевому способу создать аккумуляторы. Но чтобы понять, как это, по ее мнению, можно сделать, нам вначале надо разобраться, что же такое аккумуляторы.

■ ■ ■

Как и многие другие инструменты и технологии, жизненно необходимые в нашем повседневном быту, батарейки изобрели не для того, чтобы решить проблему сохранения энергии, и вообще не для того, чтобы решить какую-то практическую проблему. Аккумуляторы появились из-за неутолимого желания понять мир природы в сочетании с тонкой наблюдательностью и любопытством. Тот же самое вдохновило на изобретения и Энджи Белчер.

Первая батарейка датируется 1800 г.[61]61
  P. A. Abetti, “The Letters of Alessandro Volta,” Electrical Engineering 71, no. 9 (1952): 773–76, http://doi.org/10.1109/EE.1952.6437680.


[Закрыть], когда Алессандро Вольта доказал, что соединенные вместе чередующиеся пластины цинка и меди, проложенные пропитанной соляным раствором тканью, могут создавать электрический ток. Эта пачка пластин получила название “Вольтов столб”. Проще говоря, приспособление превращало химическую энергию в электрическую, переводя электроны одного металла в другой.

Электроны – это крошечные отрицательно заряженные частицы. В Вольтовом столбе медная пластина создает положительный полюс (катод), а цинковая – отрицательный (анод). Само по себе складывание чередующихся пластин батареи первого поколения не давало никакого заряда, но если между двумя полюсами протянуть что-то, способное проводить электричество, например металлическую проволоку, то она направит поток электронов от анода к катоду. Если подсоединить какой-либо электрический прибор, например маленькую лампу накаливания, то можно будет обнаружить возникающий в цепи ток: когда он появляется, лампочка зажигается. В конце концов, когда все свободные электроны будут переданы, а металлы исчерпают способность создавать или принимать новые электроны, процесс прекратится. В этот момент батарея перестанет производить электричество, лампа накаливания погаснет, и Вольтов столб придется заменить.

Чтобы получить на выходе максимальное количество электричества, Вольта экспериментировал с разными металлами в качестве катодов и анодов и с разными жидкостями-электролитами[62]62
  Электролит – вещество, раствор которого проводит электрический ток. – Прим. науч. ред.


[Закрыть], но ему так и не удалось произвести достаточно электроэнергии для каких-либо практических целей. Тем не менее другие ученые продолжили его работу и создали батареи, которые могут питать электроприборы. Если бы Вольта побывал у нас сегодня, он, безусловно, узнал бы в батарейках прямых потомков своего Вольтова столба.

Обыкновенные батарейки можно воспринимать как приспособления для транспортировки энергии. Самые обычные батарейки ААА, которые я беру с собой в самолет, чтобы слушать музыку в наушниках, – это просто способ преобразовывать химическую энергию, которую я в любой момент могу превратить в электрическую. Когда я дома, розетка на стене является более доступным источником электроэнергии, но, когда домашнего электричества нет в распоряжении, эту лакуну заполняют батарейки. Заряжаемые аккумуляторы, как те, которые находятся внутри вашего телефона или ноутбука, гораздо лучше выполняют функцию накопления и сохранения энергии. Теряя заряд, они могут обратить этот процесс вспять, используя электричество из внешнего источника, скажем из стенной розетки. При подзарядке электроны, которые переходят из анода в катод, восстанавливаются в своем исходном состоянии в аноде. Затем может начаться очередной цикл разрядки аккумулятора.

Возможно, кто-то сочтет этот направленный в обе стороны процесс простым. Но это не так. Он требует наличия материалов, которые могут одновременно отдавать электроны и принимать их. Первая успешно действующая перезаряжаемая батарея появилась чуть больше 100 лет назад[63]63
  P. Kurzweil, “Gaston Plante and His Invention of the Lead-Acid Battery – The Genesis of the First Practical Rechargeable Battery,” Journal of Power Sources 195, no. 14 (2010): 4424–34, http://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.12.126.


[Закрыть]. В качестве электродов в ней использовали свинец, а в качестве электролита – серную кислоту. Эти компоненты делали аккумуляторы тяжелыми и опасными, но тем не менее они были достаточно надежными, и в результате мы до сих пор используем свинцово-кислотные аккумуляторы во многих совершенно обычных для повседневной жизни задачах, когда требуется усиленная перезарядка. В большинстве автомобилей на наших дорогах все еще применяются свинцово-кислотные аккумуляторы. Даже в электромобилях, где для движения используются литий-ионные аккумуляторы, остаются свинцово-кислотные аккумуляторы для питания фар, вентиляторов и системы безопасности.

Примитивная гальваническая батарея состоит из чередующихся пар пластин меди и цинка со слоем электролита между каждой парой. Электроны двигаются от цинкового анода (–) к медному катоду (+) с помощью проволоки и зажигают небольшую лампу накаливания

В последние годы распространение мобильных электронных устройств подтолкнуло к развитию значительно более легких и безопасных аккумуляторов[64]64
  Bruno Scrosati and Jurgen Garche, “Lithium Batteries: Status, Prospects and Future,” Journal of Power Sources 195, no. 9 (2010): 2419–30, http://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.11.048; Akira Yoshino, “The Birth of the Lithium-Ion Battery,” Angewandte Chemie – International Edition 51, no. 24 (2012): 5798–5800, http://doi.org/10.1002/anie.201105006.


[Закрыть]. Литий-ионные аккумуляторы теперь дают электричество нашим сотовым телефонам, карманным фонарикам и большинству портативных электронных приспособлений, но эти аккумуляторы недостаточно экономичны, эффективны и мощны, чтобы соответствовать более масштабным энергетическим запросам. Также они подвергают пользователей риску, поскольку были случаи воспламенения аккумуляторов гироскутеров и сотовых телефонов. Помимо технических ограничений самих батарей стандартный процесс их производства[65]65
  Antti Vayrynen and Justin Salminen, “Lithium-Ion Battery Production,” Journal of Chemical Thermodynamics 46 (2012): 80–85, http://doi.org/10.1016/j.jct.2011.09.005.


[Закрыть] требует очень высокой температуры (подумайте о расходе энергии), а также дает высокотоксичные побочные продукты. Оценки очень отличаются, но в 2017 г. Шведский научно-исследовательский институт по проблемам окружающей среды (IVL)[66]66
  Mia Romare and Lisbeth Dahllof, “The Life Cycle Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries and Batteries for Light-Duty Vehicles,” IVL Swedish Environmental Research Institute Report C 243, 2017.


[Закрыть] высчитал, что при создании одного аккумулятора для электромобиля может выделяться такое количество отходов, которое эквивалентно 20 т углекислого газа[67]67
  Управление по охране окружающей среды США, “Калькулятор равноценности парниковых газов”. Последнее изменение – сентябрь 2017, http://www.epa.gov/energy/greenhouse-gasequivalencies-calculator.


[Закрыть], получающимся при сжигании 8500 л бензина[68]68
  Tesla, “Модель S – лучший автомобиль”. Последнее изменение – 2018, http://www.tesla.com/models.


[Закрыть]. Так что, садясь за руль своего электромобиля, прежде чем почувствовать себя поддерживающим экологию благонравным водителем, нужно оценить, во что обошлось создание аккумуляторов (с точки зрения затрат электроэнергии и выделения углекислого газа), и то, из какого источника поступает электричество для перезарядки батареи (с гидроэлектростанции или с электростанции, где сжигаются горючие ископаемые). Вдобавок к энергозатратам изготовление аккумулятора, как и многие другие производственные процессы, создает множество отходов, некоторые из которых относятся к высокотоксичным.

Если принять во внимание вышесказанное, то все доступные на сегодня варианты не соответствуют быстро растущим потребностям человека в сохранении энергии. Поиск альтернативного подхода к энергосбережению – именно это подтолкнуло Энджи Белчер к тому, чтобы вступить в игру. Разумеется, она не единственная, кто трудится над тем, чтобы создать более экологически чистые, легкие и эффективные батареи. Эта проблема занимает умы ученых всего мира, и в ближайшие годы из исследовательских лабораторий выйдут десятки многообещающих новых технологий[69]69
  Sung Yoon Chung, Jason T. Bloking, and Yet Ming Chiang, “Electronically Conductive Phospho-Olivines as Lithium Storage Electrodes,” Nature Materials 1, no. 2 (2002): 123–28, http://doi.org/10.1038/nmat732; Won Hee Ryu et al., “Heme Biomolecule as Redox Mediator and Oxygen Shuttle for Efficient Charging of Lithium-Oxygen Batteries,” Nature Communications 7 (2016), http://doi.org/10.1038/ncomms12925.


[Закрыть]. И Цуй, и его коллеги из Стэнфордского университета[70]70
  Nian Liu et al., “A Pomegranate-Inspired Nanoscale Design for Large-Volume-Change Lithium Battery Anodes,” Nature Nanotechnology 9, no. 3 (2014): 187–92, http://doi.org/10.1038/nnano.2014.6; Haotian Wang et al., “Direct and Continuous Strain Control of Catalysts with Tunable Battery Electrode Materials,” Science 354, no. 6315 (2016): 1031–36.


[Закрыть], к примеру, разработали наночастицы для батарей, которые упакованы более плотно, содержат больше заряда и обещают более длительный срок службы, чем у сегодняшних аккумуляторов. Цзе Сян Шэнь из Наньянского технологического университета[71]71
  Dongliang Chao et al., “Array of Nanosheets Render Ultrafast and High-Capacity Na-Ion Storage by Tunable Pseudocapacitance,” Nature Communications 7 (2016): 1–8, http://doi.org/10.1038/ncomms12122.


[Закрыть] в Сингапуре разрабатывает натрий-ионные батареи, сделанные в виде нанолиста и потенциально являющиеся дешевой и безопасной альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Но Белчер использовала потрясающий, революционный подход, обратившись к биологии (если говорить более конкретно – к вирусам).

■ ■ ■

В отличие от большинства живых организмов, то есть растений, животных и даже одноклеточных дрожжей и бактерий, у вирусов отсутствует большинство стандартных компонентов, необходимых для жизни. У них нет клеточных мембран, ядер или каких-либо внутренних структурных элементов, которые имеются у других живых организмов. Вместо этого они состоят всего лишь из оболочки[72]72
  Nancy Trun and Janine Trempy, “Chapter 7: Bacteriophage,” in Fundamental Bacterial Genetics (Hoboken, NJ: Wiley– Blackwell, 2003), 105–25, http://www.blackwellpublishing.com/trun/pdfs/Chapter7.pdf.


[Закрыть] и цепочки ДНК или РНК. И это все! Тем не менее они миллиарды лет процветают в любой экосистеме нашей планеты; существуют доказательства существования более 300 млн лет назад[73]73
  Julien Theze et al., “Paleozoic Origin of Insect Large dsDNA Viruses,” Proceedings of the National Academy of Sciences 108, no. 38 (2011): 15931–35, https://doi.org/10.1073/pnas.1105580108.


[Закрыть] вирусов, поражающих насекомых. Вирусы воспроизводятся весьма успешно, причем иногда это даже пугает. Они населяют самые разные виды сред, в том числе тело человека, и часто являются причиной смертельных заболеваний.

С точки зрения биологии вирусы являются минималистами. Но даже в своей простоте каждый вирус во многом напоминает своего прародителя точно так же, как волосы и глаза моей дочери похожи на мои. Сами по себе вирусы многого не могут. Тогда как они несут собственную генетическую информацию, зашифрованную в ДНК или РНК, им не хватает механизмов, чтобы размножить себя. Чтобы выжить и размножиться, вирусу нужен организм-хозяин. Они поражают клетки живых организмов, и, когда это происходит с нами, мы испытываем то, что называется вирусным заболеванием.

Чтобы передать генетические инструкции своим потомкам, зачастую вирусы используют те же молекулы, которые и мы используем для передачи генетической информации нашим детям[74]74
  Живые организмы используют молекулы ДНК для хранения генетической информации, в то время как вирусы используют для этих целей как ДНК, так и РНК. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Информация в их генах и в наших генах сохраняется из поколения в поколение в молекулах нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК. Структура нуклеиновых кислот обеспечивает две основные функции: создание точных копий самих себя (это важно для передачи генетической информации следующим поколениям) и управление формированием белков – строительных материалов любого организма.

Точное дублирование нуклеиновых кислот – самое важное для передачи генетической информации от родителей к потомкам. ДНК, дезоксирибонуклеиновая кислота, имеет структуру, напоминающую винтовую лестницу, с двумя параллельными остовами, связанными рядом перекладин. Каждая перекладина состоит из пары молекул, которые называются основаниями. Выделяется четыре типа таких оснований: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Два основания в каждой перекладине всегда соединяются одинаково: А с Т, а G с С. Информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, записана в том порядке, в котором основания расположены друг за другом. РНК, рибонуклеиновая кислота, состоит только из одного рибофосфатного остова (а не двух дезоксирибофосфатных, как ДНК). Кроме того, в ней тимин заменяется урацилом (U). Строгое соединение оснований парами – G-C и А-Т (или А-U) – обуславливает точное копирование ДНК (или РНК) в следующем поколении клеток или организмов. Во время синтеза ДНК перед делением клеток двойная винтовая конструкция ДНК разделяется по длине на две части, при этом каждая перекладина превращается в половину с одним основанием. Каждая из этих частей ДНК служит основой для создания новой половины, обусловленной строгим соединением пар А-Т и G-C.

В 1953 г., когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик впервые описали структуру ДНК[75]75
  J. D. Watson and F. H. Crick “Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,” Nature 171, no. 4356 (1953): 737–38; H. F. Judson, The Eighth Day of Creation: The Makers of the Revolution in Biology (Plainview, NY: CSHL Press, 1996).


[Закрыть] на одной странице статьи в Nature, они пришли к одному из величайших выводов в истории. “От нашего внимания не укрылось, – писали они, – что особое соединение в пары, которое мы теоретически допускаем, немедленно заставляет предположить о возможном механизме копирования генетического материала”. Это небольшое замечание не только оказалось верным, но также положило начало совершенно новой эпохе в биологии – а именно молекулярной биологии.

ДНК или РНК клетки или вируса управляет формированием белков – строительных блоков для любого организма и его функций. Последовательность оснований вдоль ДНК (или РНК) вируса – это код, который управляет структурой менее чем десятка различных вирусных белков. Подобным же образом последовательность оснований в нашей ДНК управляет структурой всех наших белков. Чтобы использовать вирусы для создания аккумуляторов, Энджи Белчер начала манипулировать в лаборатории с непатогенными штаммами вирусов, чтобы дать им возможность организовать себя в виде компонентов аккумуляторов.

Вирусы воспроизводятся с помощью потрясающего, агрессивного и очень успешного с точки зрения эволюции процесса. Не имея никаких собственных структур для большинства биологических процессов, они вторгаются в клетки других организмов и паразитируют на их механизмах репликации. Белки внешней оболочки вируса ловко связываются с особыми белками на поверхности клетки-хозяина. Некоторые вирусы встраиваются и в наши клетки: вирус гриппа внедряется в клетки органов дыхания, а вирус гепатита С – в клетки печени. Другие вирусы поражают животных и растения. Однажды прикрепившись к клетке-хозяину, вирус захватывает контроль над ее механизмами, заставляя ее воспроизводить вирус в огромных количествах. Это становится для клетки-хозяина такой непосильной ношей, что она либо замедляет свои собственные процессы, часто практически до полной остановки, либо погибает. В любом случае пораженная вирусом клетка создает целую армию вирусов, которые вторгаются в другие клетки и воспроизводятся внутри их. В результате процесс репродукции разрастается, как взрыв, и может нанести огромный вред нашему здоровью, что хорошо известно каждому, страдающему простудой, гриппом, СПИДом или гепатитами различных типов.

Структура ДНК имеет функциональные особенности, направленные на саморепликацию. В верхней части рисунка закрученная по винтовой линии двуцепочечная ДНК имеет перекладины, каждая из которых состоит из пары оснований, всегда соединяющихся одним и тем же образом: C с G, а А с Т. Во время воспроизведения ДНК основания разделяются (посередине фигуры). Каждое из оставшихся без пары оснований соединяется с подходящим партнером (А с Т и C с G) и в результате формирует две новые двуцепочечные ДНК (внизу рисунка), каждая из которых идентична первоначальной

Но несмотря на ту угрозу, которую вирусы представляют для нашего здоровья, от них мы получили огромное количество важной для науки информации. Простые, элегантные структуры сделали их чрезвычайно полезными в качестве лабораторных инструментов. Многие десятилетия ученые задействовали вирусы для изучения биологических процессов. В 1952 г. Ал Херши и Маргарет Чейз[76]76
  A. D. Hershey and Martha Chase, “Independent Functions of Viral Protein and Nucleic Acid in Growth of Bacteriophage,” Journal of General Physiology 36 (1952): 39–56; Angela N. H. Creager, “Phosphorus-32 in the Phage Group: Radioisotopes as Historical Tracers of Molecular Biology,” Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences 40, no. 1 (2009): 29–42, http://doi.org/10.1016/j.shpsc.2008.12.005.Phosphorus-32.


[Закрыть] использовали их в своем эксперименте, подтверждающем, что ДНК содержит наследственную информацию, и разрешившем многолетний спор о том, как передаются генетические особенности – с помощью ДНК или белка.

Вирусы стали одним из лучших инструментов для того, чтобы перемещать ДНК и РНК из клетки в клетку. Например, в новых видах иммунотерапии рака они используются, чтобы переправить в клетки иммунной системы пациента гены, кодирующие особые белки, которые могут распознавать и уничтожать раковые клетки, позволяя иммунной системе убивать раковые клетки как чужеродных захватчиков. Вирусы на самом деле настолько хорошо перемещают ДНК и РНК, что теперь исследователи используют в качестве стандартного инструментария в своих лабораторных экспериментах множество их разновидностей, разработанных так, чтобы они не представляли опасности для человека.

■ ■ ■

Вирусы могут иметь самые разные формы. Некоторые представляют собой икосаэдры с 20 гранями, другие – простые сферы, а некоторые выглядят как крошечные космические аппараты с посадочными опорами на конце. За очень долгую эволюцию каждый из них оптимизировал свою структуру для выживания. Разумеется, ни один из вирусов не эволюционировал, чтобы стать батарейкой, но Энджи Белчер определила, что структура одного из вирусов, а именно бактериофага М3, практически идеально подходит для того, чтобы решить некоторые задачи, которые стоят перед конструктором аккумуляторов. Белчер нашла, как направить эволюцию М13, чтобы превратить его в крошечную фабрику по сбору батарей. Ее основанные на вирусе М13 аккумуляторы могут сохранить больше энергии при меньшем объеме, а также эти вирусы могут создавать батареи при значительно меньшей температуре и с меньшим количеством токсичных отходов, чем при обычном процессе производства.

Чтобы добиться успехов в этом проекте, Белчер прежде всего предстояло решить две трудные задачи. Во-первых, разобраться, как организовать металлические материалы батареи, чтобы упаковать ее содержимое так плотно, как только возможно. Но просто собрать вместе материалы еще недостаточно, потому что электроны и ионы металла должны найти эффективные пути, чтобы перемещаться через материалы батареи и вокруг них. Белчер также предстояло разработать для электронов проводящие каналы, чтобы перемещаться от внешнего источника через электроды батареи. Ей была нужна частица размером в несколько нанометров, которая могла бы одновременно и связывать ионы металла, и обеспечивать передачу электронов. У М13 много качеств, которые оказались нужны исследовательнице.

Вирус М13 выглядит как трубка – чрезвычайно маленькая, чрезвычайно тонкая трубка, украшенная нитевидной бахромой. Отдельный вирус М13 имеет размеры немного меньше 1000 нанометров[77]77
  Один нанометр – одна миллионная часть миллиметра, или одна миллиардная часть метра, 10^–9 м. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] (нм) в длину и немного меньше 10 нм в ширину. Таким образом, пропорции М13 напоминают очень длинный вариант лакричного карамельного жгута Twizzler длиной в шесть карамельных жгутов и шириной только в один. Трубка М13 перекручивается, что также немного напоминает жгут Twizzler, и состоит примерно из 2700 копий одного белка, который называется p8. Белки p8 расположены очень компактно и упорядоченно. Белчер распознала потрясающий потенциал М13 с точки зрения уплотнения: если каждый из этих 2700 белков оболочки превратить в место связывания, к которому присоединить важную для батареи структуру, ее основанные на М13 электроды смогут заряжаться и разряжаться с исключительной скоростью.

Белчер использовала весь инструментарий генной инженерии, чтобы изменить вирус М13 и создать аккумуляторы лучше тех, что существуют сегодня. Первоначально, чтобы определить варианты М13, которые могут особенно плотно упаковать материалы батареи, исследовательница использовала метод под названием “фаговый дисплей”, или “фаговое отображение”[78]78
  Метод, позволяющий “проецировать” исследуемый белок на оболочку вируса для его дальнейшего изучения. В 2018 г. за использование фагового дисплея для направленной эволюции антител была присуждена Нобелевская премия по химии. – Прим. науч. ред.


[Закрыть], разработанный для изучения молекулярных компонентов иммунной системы. Белчер начала с мутации М13, чтобы создать миллиард отдельных вариантов, причем генетическая последовательность каждого из них немного различалась. Предположив, что среди этого миллиарда есть вирус с подходящими качествами, исследовательница начала тестировать варианты на способность связываться с интересующими ее материалами, с которыми обычно вирусы не соединяются, такими как золото или углеродные нанотрубки. После нескольких циклов производства вариантов M13 и выбора тех, что демонстрировали подающие надежды взаимодействия, она выделила из них несколько, которые прочно соединялись с этими материалами.

Вирус М13 можно изменить так, чтобы связать материалы для батареи. (А) Вирус М13 имеет вытянутую, цилиндрическую форму с оболочкой, состоящей из 2700 копий белка p8. На одном конце находятся нити белка p3, который обычно является посредником для прикрепления к клетке-хозяину. (В) Варианты М13 с модифицированными белками p8, что позволяет им связываться с материалами батареи, такими как оксид кобальта (маленькие сферы). Частицы оксида кобальта как бы украшают цилиндрическую основу. (С) М13 может быть модифицирован и дальше, так, чтобы белки p3 связывались с однослойными углеродными нанотрубками (УНТ)

Затем Белчер сделала следующий шаг для того, чтобы М13 стал еще более адаптируемым. Рассудив, что если они смогут изменить 2700 копий[79]79
  К счастью, ученым не пришлось изменять каждую из 2700 копий по отдельности – достаточно было изменить кодирующую ее последовательность в геноме вируса. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] первоначального белка оболочки p8 так, чтобы они связывались с другими основными классами молекул, то получат многофункциональный инструмент, Анджела и ее коллеги добавили в геном вируса последовательность оснований, которая давала белку p8 нить с отрицательным зарядом. Таким образом, каждый белок p8 получал “липкий” конец, который может цепляться за положительно заряженные частицы – например, за материалы для батареи, такие как оксид кобальта. Только представьте себе всю силу этого подхода: новый вирус М13, измененный Белчер, имел 2700 “липких” концов и, таким образом, участков, которые могли связываться с положительно заряженными частицами металла.

На этом Белчер не остановилась. Получение 2700 молекул М13, чтобы обеспечить места прикрепления для компонентов батареи, стало большим шагом вперед, но ей также нужно было убедиться, что те электроны и ионы, которые должны двигаться через электроды, могут делать это с большой скоростью. Чтобы разобраться с этой проблемой, исследовательница переключила свое внимание на другой белок М13 – p3, который составляет нитевидную кисточку на одном из концов центральной трубки М13[80]80
  Кисточки на другом конце центральной трубки М13 составляют два других белка – p7 и p9. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. В естественном мире белки p3 вируса М13 прикрепляются к поверхности клетки-хозяина – бактерии Escherichia coli (кишечной палочки), именно поэтому М13 и называется бактериофагом. Белчер рассудила, что если p3 может связываться с бактерией, то, возможно, у нее получится изменить его так, чтобы он связывался с материалами, способными служить проводниками для электронов и заряженных ионов металла, которые должны проходить сквозь батарею. Она вместе с коллегами снова использовала фаговый дисплей, чтобы определить варианты p3, годные к тому, чтобы присоединяться к одному из самых лучших из известных проводников ионов – однослойной углеродной нанотрубке.

Вся эта работа в конце концов позволила Белчер создать библиотеку вариантов вируса М13, измененных особым образом. Каждый из них мог связываться с одним или двумя материалами, полезными при создании батарей. Некоторые модификации вступали в специфические взаимодействия с такими веществами, как золото; другие – в неспецифические отношения с ионизированными материалами, так что могли взаимодействовать с заряженными частицами, такими как частицы оксида кобальта и фосфата железа. Некоторые прикреплялись к углеродным нанотрубкам, чтобы ускорить движение электронов. Были и варианты с двумя генами, пригодными для создания супервируса М13. С помощью этих новых инструментов лаборатория Белчер начала производить основанные на вирусах электроды для батарей[81]81
  Ki Tae Nam et al., “Genetically Driven Assembly of Nanorings Based on the M13 Virus,” Nano Letters 4, no. 1 (2004): 23–27; Yu Huang et al., “Programmable Assembly of Nanoarchitectures Using Genetically Engineered Viruses,” Nano Letters 5, no. 7 (2005): 1429–34, http://doi.org/10.1021/nl050795d; K. T. Nam et al., “Stamped Microbattery Electrodes Based on Self-Assembled M13 Viruses,” Proceedings of the National Academy of Sciences 105, no. 45 (2008): 17227–31, http://doi.org/10.1073/pnas.0711620105; Dahyun Oh et al., “M13 Virus-Directed Synthesis of Nanostructured Metal Oxides for Lithium-Oxygen Batteries,” Nano Letters 14, no. 8 (2014): 4837–45, http://doi.org/10.1021/nl502078m; Maryam Moradi et al., “Improving the Capacity of Sodium-Ion Battery Using a Virus-Templated Nanostructured Composite Cathode,” Nano Letters 15, no. 5 (2015): 2917–21, http://doi.org/10.1021/nl504676v.


[Закрыть].

■ ■ ■

Я хотела увидеть эту фабрику вирусов своими глазами, поэтому пришла в лабораторию Белчер, где она назначила моим гидом одного из студентов-магистрантов, энтузиаста создания батарей нового типа Алана Рансила. Слова “энтузиаст” будет недостаточно, чтобы описать восторг молодого человека по поводу будущего способа накопления энергии или то, с какой готовностью он делился со мной своими мнениями и амбициозными планами.

Когда Рансил открыл дверь в лабораторию Белчер, все поверхности в ней были заставлены высокотехнологичными установками, а также инструментами и материалами к ним. От машины к машине целенаправленно двигался поток магистрантов, аспирантов и постдоков[82]82
  Научный сотрудник, находящийся на временной (1–2 года) ставке после получения степени PhD. – Прим. пер.


[Закрыть], ныряя в различные комнаты и боксы и выныривая из них. Работа Энджи Белчер привлекает молодых исследователей со всего мира, причем они занимаются десятком различных дисциплин; в любой отдельно взятый момент в ее лаборатории работает до 20 исследователей, каждый остается на срок от шести месяцев до нескольких лет. Рансил получил степень бакалавра в Стэнфордском университете, где занимался разработкой новых материалов для солнечных батарей, но теперь он стал доморощенным экспертом по созданию батарей в новых формах, например в виде браслета для часов или торпедо автомобиля. Геран приехал из Новой Зеландии, где работал с технологиями материалов, а сейчас занимается разработкой основанных на сере электродов батарей с большой емкостью. Нимрод, биолог из Израиля, в настоящее время работает над технологией 3D-печати батарей на основе бактериофагов. Это настоящая “организация объединенных наций”, состоящая из подающих надежды энергичных профессионалов со степенями в области прикладной физики и химического производства, биологии, материаловедения из Турции, Индии, Японии, Америки, Китая, Канады, Великобритании, Германии, Кореи и т. д. Над своими проектами они работают с такой потрясающей целеустремленностью, что сложно сказать, какие новые возможности могут появиться из их бесед в коридорах. Что, если получится создать вирусы, которые могут превращать природный газ в бензин? Возможно ли изобрести новый способ визуализировать маленькие группы клеток опухолей, чтобы онкохирургия стала более эффективной?

Большинство этих “сумасшедших” идей быстро выбраковываются, но несколько нашли свое развитие за стенами лаборатории. Одна из компаний, выросших из лаборатории Белчер, – Silurna – превращает природный газ в бензин и другие виды жидкого топлива, обещая найти более дешевый способ транспортировки и хранения метана и газа. Другой проект, начатый в лаборатории, недавно перешел в стадию клинических исследований, проверяющих, не может ли новая технология формирования изображений, разработанная Белчер и ее коллегами, сделать более эффективными операции при раке яичников и повысить выживаемость пациентов.

Во время экскурсии по лаборатории Рансил вел меня из комнаты в комнату, показывая все этапы создания основанной на вирусе батареи. Зайдя в помещение, где находились холодильники, в которых хранилась библиотека вирусов Белчер, Алан открыл один из них и показал десяток коробок, представляющих собой квадраты со стороной размером примерно по 12 см. Он взял коробку, вытащил одну из 144 аккуратно подписанных пробирок, вернул коробку на полку и закрыл дверцу холодильника. Он действовал быстро, чтобы повышение температуры в холодильнике, где поддерживается –80 ℃, было минимальным и не произошла деградация образцов в библиотеке вирусов.

Рансил заранее подготовил колонию бактерии-хозяина для внесения вирусной инфекции. Я наблюдала, как он осторожно размораживает образец вируса, а затем добавляет его к бактерии, позволяя вирусу ее инфицировать. В течение следующих 12 часов исследователю предстоит вырастить инфицированную культуру бактерии, во-первых поместив ее в питательную среду в маленькой колбе, вращающейся на аппарате для перемешивания при 37 ℃ (температура человеческого тела). Затем он поместит ее в более крупный сосуд, а потом – в еще более крупный. После этого Рансил очистит вирусные частицы, которых стало в 10¹⁶ больше, от бактерии-хозяина. Он показал мне различные этапы, перенося материал с лабораторного стола при комнатной температуре в холодную комнату, перемешивая до получения однородного раствора на столике с подогревом. Каждый шаг был тщательно рассчитан для того, чтобы очистить компоненты, а затем соединить их вместе в правильный момент в самой оптимальной концентрации. Переходя от одного рабочего места в лаборатории к другому, мы часто останавливались у графика на стене в коридоре, чтобы проследить за этапами создания батареи, основанной на вирусе. Весь процесс чем-то напоминал приготовление блюда по описанию в кулинарной книге, если не считать того, что Рансил и его коллеги сами написали все рецепты и постоянно работают над тем, чтобы их улучшить.

Наконец, после смешивания, выращивания, очистки, перемешивания, взвешивания и высушивания пришло время собрать батарейку. Мы вошли в помещение лаборатории, где нас приветствовал целый отряд затянутых в черную резину кистей и предплечий рук с растопыренными пальцами, торчащих из длинной камеры со стеклянными стенами, внутри которой находился лабораторный стол. Рансил объяснил, что резиновые руки – это на самом деле перчатки, которые раздуваются из-за постоянного давления аргона, наполняющего камеру. Аргон химически неактивен и относительно дешев, он поддерживает среду внутри камеры практически свободной от кислорода и влажности окружающего воздуха, который разрушил бы компоненты батареи еще до сборки.

Рансил сунул руки в пару перчаток и проник ими в камеру так, что мог работать внутри наполненного аргоном пространства. Используя пару пинцетов, он разместил набор компонентов в плоском, округлом корпусе батареи. С одной стороны Алан положил ультрачистый лист лабораторной бумаги и начал собирать батарейку. Первым слоем шел диск литиевой фольги, которая служит анодом. Затем Рансил добавил несколько капель раствора электролита, изолятор[83]83
  Изолятор механически разделяет катод и анод, предотвращая короткое замыкание и переход электролита от одного электрода к другому. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] из пластмассы и еще несколько капель электролита, а затем еще один диск, похожий на кусок фольги, но теперь уже являющийся катодом батареи.

Структура М13 способствует самоорганизации в листы электродного материала

Сборка вирусной плоской круглой батарейки. Слой литиевой фольги служит анодом, а слой модифицированных вирусов М13 – катодом. Все слои компонентов запечатываются вместе в корпусе плоской круглой батарейки

Рансил добавил еще несколько капель электролита, закрыл корпус батареи, плотно зажал его и объявил, что батарейка готова.

Батарейка Рансила выглядела точно так же, как и напоминающие монетки батарейки, которые я меняю в своих наручных часах. Снаружи они были одинаковыми. Лаборатория Белчер пакует инновационные, основанные на биологии компоненты батарейки в стандартные корпуса для использования в обычных электронных приспособлениях.

Мне всегда нравились лаборатории. Я люблю их вид, запах и приборы. Но больше всего я люблю кипучую деятельность и всеми разделяемый дух сотрудничества, которые делают невозможное возможным. Лаборатория Белчер во многом напоминает мою нейробиологическую лабораторию, но у меня просто ум за разум заходит, когда я пытаюсь осмыслить инженерное мастерство, которое Энджи Белчер соединила с биологией таким необыкновенным и непредсказуемым образом.

Не так давно, когда мы разговаривали о будущем энергетики, Белчер пришлось покинуть нас ради мозгового штурма, который она регулярно проводит с членами своей группы. “Я их просто обожаю, – сказала она. – Когда мы все собираемся вместе и кому-то в голову приходит новая идея, у меня просто мурашки бегут по коже”. Я прекрасно знаю, что она имеет в виду – магию совместного мышления. Уникальный междисциплинарный склад ума Белчер – это своего рода гениальность, и она имеет дар, позволяющий ее развивать и поддерживать. Именно поэтому в 2004 г. Энджи получила стипендию Фонда Макартуров, “грант для гениев”.