Avonturen op de intellectuele speelplaats

Een van de meest opwindende momenten in het professionele leven van Angela Belcher vond plaats tijdens een routinebezoek aan het laboratorium in de winter van 2009. Twee van haar afgestudeerde studenten aan de afdeling Materials Science and Engineering van MIT probeerden biologische hulpmiddelen te gebruiken om materialen voor een batterij te maken elektrode. Ze lieten haar een petrischaaltje zien met een virus dat ze hadden ontwikkeld om te binden aan materialen waar het normaal gesproken geen affiniteit mee zou hebben: ijzerfosfaat en koolstofnanobuisjes. Het virus had de twee materialen netjes samengevoegd tot kleine draadjes, die net zo goed zouden presteren als de elektroden in commerciële lithium-ionbatterijen.

Voor de studenten was het een veelbelovend resultaat. Maar voor haar was het iets veel groters: de realisatie van een gedurfd idee dat haar ooit was ontmoedigd om het zelfs maar na te streven. Toen ik begon, was het mijn droom om genetica, of controle over DNA, te gebruiken om niet-biologische apparaten beter te maken dan op andere manieren gemaakt kan worden. Het was een idee voor de langere termijn, zegt Belcher, die zegt dat ze nog steeds rillingen krijgt als ze het verhaal vertelt. Nu hadden haar studenten dat doel ook echt bereikt: door te sleutelen aan de genen van een virus, konden ze een hoogwaardig elektrodemateriaal produceren. We waren er sneller dan ik had verwacht, zegt ze.

Dat laboratoriumwerk aan door virussen gekweekte batterijen leidde tot een... papier in Wetenschap in 2009 en enorm veel media-aandacht. Batterijen zijn echter slechts één mogelijk product van de nieuwe toolkit die Belcher heeft gepionierd. Ze ontwerpt virussen, en in sommige gevallen gisten, om te fungeren als biologische fabrieken die anorganische materialen produceren met vormen en structuren die anders moeilijk te maken zouden zijn. Potloodvormige virussen die bacteriën infecteren, fungeren als een sjabloon of steiger waarop nanodeeltjes zich verzamelen. De virussen zijn in staat om zeer geordende kristallen of draden op nanoschaal te assembleren die nuttig kunnen zijn in een verscheidenheid aan toepassingen.

Door tal van samenwerkingen heeft Belcher haar tools toegepast op enkele van de grootste problemen van de samenleving op het gebied van energie, het milieu en de geneeskunde. Ze heeft de prestaties van zonnecellen verbeterd en katalysatoren ontwikkeld die waterstof uit water kunnen splitsen als brandstof en aardgas kunnen omzetten in industriële chemicaliën. Een bedrijf dat ze oprichtte, kwam met nieuwe manieren om materialen voor touchscreens te maken, en haar laboratorium heeft gist ontwikkeld om afvalkooldioxide van energiecentrales om te zetten in vloertegels. Als hoogleraar energie in zowel de materiaalwetenschappen als de afdelingen biologische engineering, trad ze in 2010 toe tot het David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research van MIT en begon ze ook diagnostische hulpmiddelen en behandelingen voor kanker te ontwikkelen. Meer recentelijk is ze begonnen met het ontwikkelen van materialen die water kunnen zuiveren en scheiden van organisch afval of olie, en is ze begonnen te werken aan lithium-luchtbatterijen voor elektrische voertuigen en aan energieopslagapparaten die supercondensatoren worden genoemd.

Een klassiek Eureka-moment
Opmerkelijk genoeg heeft ze dit allemaal bereikt op 46-jarige leeftijd - en uiteindelijk gaat het allemaal terug naar de zeeoren zeeslak.

Belcher, die als student aan de University of California, Santa Barbara, haar eigen curriculum creëerde dat meerdere wetenschapsgebieden combineerde, raakte gefascineerd door de abalone en koos het als haar onderwerp toen ze op dezelfde school promoveerde in scheikunde. Ze had drie PhD-adviseurs - een chemicus, een moleculair bioloog en een natuurkundige - die wekelijks bijeenkwamen om elkaar te helpen de kloof tussen hun vakgebieden te overbruggen. Zo heb ik wetenschap geleerd, zegt ze. Voor mij is het een heel normale manier om de wereld te benaderen.

Belcher concentreerde zich op de manier waarop het dier zijn schild maakt. Abalones produceren eiwitten die zich combineren met ionen van calcium en carbonaat uit zeewater om rijen kleine anorganische kristallen te vormen - één type voor een buitenste schil en één voor een extreem sterke binnenschaal. Toen ze op een dag over dit proces nadacht terwijl ze vanuit haar kantoor naar de oceaan keek, had Belcher een klassiek eureka-moment. Terwijl haar blik van het raam naar het periodiek systeem der elementen op haar muur verschoof - hoog geplaatst om het zicht niet te belemmeren - vroeg ze zich af of de schelpeiwitten die ze tijdens haar promotieonderzoek had geïsoleerd bruikbare materialen konden creëren door ze te combineren met andere elementen.

Ik dacht, zou het niet interessant zijn in halfgeleiders als je een eiwit had dat de ene kristalstructuur zou laten groeien ten opzichte van de andere en je zou het kunnen doen met genetische controle, zegt Belcher. Toen begon ik na te denken over hoe ik die genetische code voor halfgeleiders kon ontwikkelen.

Dit door de natuur geïnspireerde inzicht - dat men genetica zou kunnen gebruiken om anorganische materialen te produceren - heeft geleid tot tientallen wetenschappelijke publicaties en een duizelingwekkende verscheidenheid aan onderzoeksprojecten. Haar onderscheidingen zijn onder meer een MacArthur-geniebeurs in 2004, een erkenningsprijs van het Amerikaanse leger en de Lemelson-MIT-prijs van $ 500.000 dit jaar. Toen Barack Obama in 2009 naar MIT kwam en een toespraak hield over energie, informeerde Belcher de president over haar batterij- en zonne-onderzoek. (Ze gaf hem ook een kleine kaart met het periodiek systeem, waarop stond dat het van pas zou kunnen komen als je ooit in de problemen zit en een molecuulgewicht moet berekenen. Obama's comeback: bedankt. Ik zal er regelmatig naar kijken. )

Wetenschappers respecteren Belcher voor haar gedurfde, grote ideeën en haar vermogen om echte vooruitgang te boeken bij het omzetten ervan in praktische toepassingen. Naast haar academische werk heeft ze twee bedrijven mede opgericht: Cambrios , dat een materiaal maakt op basis van zilveren nanodraden dat vingerbewegingen op aanraakschermen detecteert, en Siluria Technologies, dat een katalytisch proces heeft ontwikkeld om aardgas om te zetten in ethyleen dat kan worden gebruikt om materialen te maken die normaal gesproken uit aardolie worden gewonnen. Ze is zeer visionair en zeer multidisciplinair, zegt Seung-Wuk Lee, die als afstudeerstudent bij Belcher werkte en nu faculteitswetenschapper is aan het Lawrence Berkeley National Laboratory en universitair hoofddocent bio-engineering aan de University of California, Berkeley. Ze is ook een beetje praktisch. Ze kan haar ideeën nu demonstreren, niet over 10 jaar.

Een onconventionele benadering
Belcher, een Texaan van de zevende generatie, kreeg in 1999 haar eerste baan als hoogleraar scheikunde en biochemie aan de Universiteit van Texas, Austin. Het bleek een goede tijd voor onderzoek in materiaalkunde en bio-engineering: nanotechnologie was een veelbelovende opkomend veld, en levenswetenschappers hadden toegang tot nieuwe hulpmiddelen voor genetische manipulatie. Ze begon te werken met potloodvormige bacteriofagen, of fagen - natuurlijk voorkomende virussen die bacteriën infecteren. De genen van elk virus bevatten instructies om een ​​eiwit te produceren dat het oppervlak bedekt. Onderzoekers kunnen zich richten op een specifiek soort molecuul door een faag te gebruiken waarvan het specifieke oppervlakte-eiwit eraan vastklikt - een techniek die doorgaans werd gebruikt voor het ontdekken van geneesmiddelen.

De viruseiwitten binden zich niet aan anorganische materialen in de natuur, maar Belcher wilde zien of ze daarvoor konden worden gemanipuleerd. Slechts een paar maanden nadat ze hoogleraar was geworden, schreef ze haar eerste subsidievoorstel om het concept te testen dat ze voor het eerst had uitgebroed in haar kantoor in Santa Barbara: dat het mogelijk zou zijn om een ​​virus te gebruiken om zich aan een halfgeleider te binden en een halfgeleidend materiaal te assembleren als het virus dringt bacteriën binnen. Ze kreeg slechts twee reacties van recensenten. Eén zei dat het interessant zou kunnen zijn, maar Belcher had niet de wetenschappelijke achtergrond om het te doen; de ander schreef gewoon: ZE IS KRANKZINNIG.

Hoewel ze overstuur was, ging Belcher door omdat haar ervaring met de abalone, waarvan de eiwitten zich binden aan anorganische materialen, haar het vertrouwen gaf dat het zou kunnen werken. Ze gaf een paar honderd dollar uit om een ​​flacon te kopen met een verzameling fagen die zijn ontworpen met willekeurige DNA-inserts die coderen voor maar liefst een miljard eiwitten. Met behulp van gegevens van experimenten diende ze haar subsidieidee opnieuw in en werd gefinancierd door het leger. Binnen een jaar na de eerste afwijzing publiceerde ze een papier in Natuur wat aantoont dat virussen kunnen worden gemanipuleerd om eiwitten te produceren die zich binden aan de oppervlakken van halfgeleiders, een techniek die het in wezen mogelijk zou maken om materialen voor elektronica te kweken. Elk virus fungeert als een sjabloon en trekt halfgeleiderkristallen aan die op één lijn liggen met de eiwitten die het virus omhullen. Dat baanbrekende proof of concept legde de basis voor al het technische werk dat ze sindsdien heeft gedaan.

Met de methode van Belcher stellen laboratoriumonderzoekers ongeveer een miljard virusvarianten bloot aan een materiaal zoals een metaal of halfgeleider, waarbij ze de eiwitten identificeren en isoleren die zich er het beste aan hechten. De virussen die ze produceren, worden vervolgens in een oplossing met bacteriën geplaatst. Ze infecteren de bacteriën, die miljoenen kopieën maken van het virus en zijn specifieke DNA-sequentie. Ten slotte worden ze in een oplossing gebracht die het betreffende materiaal bevat. Een virus dat bijvoorbeeld sterk aan goud bindt, wordt in een oplossing gedaan die goudionen bevat. Het goud zal langs het oppervlak van het virus kristalliseren en zich aanpassen aan de vorm van het eiwit op zijn vacht.

Met behulp van genetische manipulatie wijzigen wetenschappers de DNA-sequentie van het virus om verder te controleren hoe het bindt. Ze kunnen het overhalen om meerdere materialen te assembleren, zoals goud en platina, of ze kunnen de vorm van de structuren bepalen die een virus zal genereren door te kiezen of deeltjes zich aan de zijkanten of aan de punt binden. Terwijl de virussen zich vermenigvuldigen, kunnen ze aanzienlijke hoeveelheden van een gewenst materiaal samenstellen. Onderzoekers kunnen de vorming van materialen ook sturen door de groeiomstandigheden te veranderen, zoals de concentratie van het virus in een oplossing. Afhankelijk van wat nodig is, kunnen ze willekeurig georiënteerde structuren vormen of een meer geordende, herhaalbare architectuur.

Het proces is op water gebaseerd en stelt wetenschappers in staat om materialen te maken in milieuvriendelijke omstandigheden, bij kamertemperatuur en onder normale druk. Dat is een groot voordeel ten opzichte van traditionele fabricagetechnieken voor halfgeleiders of elektronische circuits, waarvoor complexe machines, giftige materialen en hoge temperaturen nodig kunnen zijn.

Een samenwerking met professoren Yet-Ming Chiang en Paula Hammond leverde in 2006 een door virussen gegroeid anodemateriaal op.

Disney voor wetenschappers
Toen Belcher aan de Universiteit van Texas werkte, trok haar baanbrekende onderzoek naar de virale groei van anorganische materialen veel aandacht binnen de academische wereld. Ze werd door een aantal plaatsen gerekruteerd en maakte een paar uitstapjes naar MIT, dat ze Disneyland voor wetenschappers en ingenieurs noemt, en realiseerde zich dat het een goede match was. Bij elke ontmoeting met de faculteit zag ik de connectie met hun werk en de mensen waren zo enthousiast over hun onderzoek, zegt ze. En het is niet alsof ze het dicht bij zichzelf houden - ze werken overal op de campus samen. De periodieke kaart die ze president Obama gaf - een van een stapel kaarten die ze had afgedrukt om uit te delen aan eerstejaars - bevat een slogan die beschrijft hoe ze zich voelde toen ze bij het Instituut aankwam: Welkom bij MIT. Nu ben je in je element.

Een van de eerste partnerschappen die Belcher aan het MIT vormde, was met professor in de chemische technologie Paula Hammond '84, PhD '93. Na over hun onderzoek te hebben gesproken, besloten ze aan een project te werken om sensoren te maken die biologische agentia detecteren. Ze wilde begrijpen wat voor soort wetenschap er om haar heen gaande was en aan welke ontwikkelingen ze zou kunnen bijdragen, zegt Hammond. Ze bouwde echt aan haar gezamenlijke gemeenschap.

Ondertussen verbeterde Belcher de basiswetenschap van haar virustoolkit en breidde ze haar palet aan materialen uit. In experimenten werkte haar lab door het periodiek systeem en zag waar we goed in waren, zegt ze. Succes met metalen en metaaloxiden leidde tot een samenwerking op het gebied van batterijonderzoek met Hammond en Yet-Ming Chiang '80, ScD '85, een materiaalwetenschapper die medeoprichter was van het batterijbedrijf A123 Systems. In 2006 schreven de drie samen een papier in Wetenschap beschrijft een virale groeimethode voor het maken van kobaltoxide-nanodraden, een anodemateriaal voor een oplaadbare lithium-ionbatterij, op flexibele polymeerfilms.

Hoewel dat indrukwekkend was, hadden ze slechts een halve batterij gemaakt, die zowel een anode als een kathode nodig heeft. Belcher stelde vervolgens een dreamteam samen met professoren Gerbrand Ceder en Michael Stano. Ze ontwikkelden een virus om ijzerfosfaat langs het oppervlak te laten groeien en nanodraden te vormen die als kathodemateriaal dienen.

De groep ging vervolgens een stap verder, op zoek naar een batterij die gebruikt kon worden voor auto's. Het bouwen van een kathode voor een snel ontladende batterij is moeilijker dan het bouwen van een anode, omdat dergelijke elektroden sterk geleidend moeten zijn, maar de veilige en goedkope materialen die het team van Belcher voor kathodes aan het onderzoeken was, zijn beter isolerend en geleiden niet goed. Om dit aan te pakken, ontwikkelde de groep van Belcher een gen dat het virus dwong om zich vast te hechten aan koolstofnanobuisjes. Terwijl het ijzerfosfaat zich verzamelt langs de lange zijden van de potloodachtige vorm van het virus, hechten de nanobuisjes zich aan de punt ervan, waardoor een netwerk van elektrische contacten ontstaat die de stroom van elektronen helpen en het vermogen van de batterij verbeteren.

Dat was het werk dat leidde tot de baanbrekende Wetenschap paper van 2009, waarin de onderzoekers beschreven hoe ze een prototype bouwden dat overeenkwam met het vermogen en de energiecapaciteit van de beste batterijen op dat moment. Omdat de elektroden zich zouden kunnen assembleren op polymeerfilms, die als elektrolyt fungeren, zou de technologie kunnen leiden tot dunne, flexibele batterijen of batterijen die de vorm aannemen van hun container. Susan Hockfield, de toenmalige president van MIT, demonstreerde het prototype, dat een kleine LED-lamp verlicht, tijdens een persconferentie in Washington met president Obama over het belang van federale fondsen voor energieonderzoek.

Altijd intensief gefocust op onderzoek dat een brede impact zou kunnen hebben, brainstormde Belcher ook met Hammond over hoe ze zonne-energie konden verbeteren. Ze kozen voor kleurstofgevoelige zonnecellen, waarbij de actieve laag is gemaakt van met kleurstof bedekt titaandioxide. Hoewel dergelijke cellen goedkoop zijn, zetten ze licht niet efficiënt genoeg om in elektriciteit voor gebruik op daken of in toepassingen op utiliteitsschaal. Maar het werk om virussen ertoe te brengen koolstofnanobuisjes op te nemen in batterijkathoden, bood een mogelijkheid om een ​​grote sprong in efficiëntie te maken.

In 2011 ontwikkelde het laboratorium van Belcher een virus dat op een geordende manier koolstofnanobuisjes over de hele lengte samenvoegt. Vervolgens laat het virus een buitenste laag titaandioxide rond de nanobuisjes groeien. Net als bij het batterijwerk creëren de nanobuisjes kleine draadjes voor elektrische stroom in de zonnecel. Door het door virus opgebouwde materiaal aan de cel toe te voegen, wordt de efficiëntie met meer dan 30 procent verhoogd. Haar lab is ook begonnen met een project om hetzelfde te proberen met zonnecellen gemaakt van silicium, het dominante materiaal in de industrie. Zo pakken we het aan: is er een manier om biologie op een nieuwe manier toe te passen? ze zegt.

Uitbreiden
Terwijl Belcher prestaties behaalde op het gebied van energie, moedigden collega's van het MIT, waaronder pionier op het gebied van medicijnafgifte, Robert Langer, haar aan om haar expertise in nanowetenschap toe te passen op kanker. In het begin was ze terughoudend en een beetje geïntimideerd. Ze was meer bekend met batterij-elektroden dan met kankercellen en wist niet zeker welke bijdrage ze kon leveren. Maar uiteindelijk stortte ze zich erin, doorliep ze kankertutorials met collega's en werkte ze opnieuw samen met andere onderzoekers, waaronder MIT-professor Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97. We moesten alles van de grond af aan leren, zegt Belcher over het kankerwerk van haar laboratorium. We hadden daar nooit alleen op in kunnen gaan.

Nu werken zij en Bhatia aan een chirurgische sonde om zeer kleine tumoren te lokaliseren. Een methode die hun laboratoria aan het ontwikkelen zijn, maakt gebruik van een virus dat is ontwikkeld om zich te binden aan kankercellen en koolstofnanobuisjes. Een vloeistof die virussen bevat die al aan nanobuisjes zijn gebonden, zou in de bloedbaan of buikholte worden geïnjecteerd om tumoren op te sporen. Wanneer de virussen zich aan een tumor hechten, zouden de nanobuisjes gloeien onder infrarood licht, waardoor artsen de tumor met een gespecialiseerde camera konden bekijken. Met de huidige methoden is het vaak een uitdaging om eierstoktumoren kleiner dan één centimeter in diameter zonder operatie in beeld te brengen. Maar dit systeem heeft in dierproeven tumoren met een diameter van één millimeter geïsoleerd. Nog steeds experimenteel, zou de techniek het meest nuttig kunnen zijn voor het lokaliseren van tumoren die moeilijk te vinden zijn en waarvoor vroege detectie het nuttigst kan zijn, zoals eierstok- en pancreastumoren, zegt ze. Het team van Belcher onderzoekt ook manieren om medicijnen te leveren met behulp van virussen die zijn ontwikkeld om zich aan kankercellen te hechten.

Het mengen
De genetische toolkit van Belcher is veelzijdig gebleken, maar geweldige wetenschap verklaart niet volledig haar vermogen om op zoveel gebieden te werken. In haar lab creëert ze een omgeving waar experts uit verschillende disciplines - scheikundigen, moleculair biologen, natuurkundigen en werktuigbouwkundigen - problemen op unieke manieren benaderen. Berkeley's Lee, bijvoorbeeld, trad toe tot het laboratorium van Belcher met een achtergrond in polymeerchemie, maar zegt dat hij door met anderen in het laboratorium samen te werken genoeg materiaalwetenschap en bio-engineering heeft geleerd om door virussen gebouwde halfgeleiders te onderzoeken. Ze heeft een behoorlijk griezelig vermogen om een ​​geweldige groep mensen voor haar lab te kiezen op de grenzen van veel verschillende disciplines waar doorgaans veel interessante wetenschap plaatsvindt, zegt Eric Krauland, PhD '07, de directeur van de ontdekking en optimalisatie van antilichamen bij het biotechbedrijf Adimab en een voormalig promovendus in het lab van Belcher. En ze is niet bang om mensen aan te nemen die meer weten dan zij op een bepaald gebied. Ze leren het me, zegt ze. Het is echt een samenwerking - ik krijg gewoon het grote kantoor.

Belcher noemt MIT graag een intellectuele speeltuin vanwege de ruime mogelijkheden om ideeën over baanbrekend onderzoek uit te wisselen. Het wordt niet gedreven door geld of de volgende krant. Het wordt gedreven door 'Wauw, laten we eens kijken wat we samen kunnen doen', zegt ze. Daarom is het leuk - daarom lijkt het helemaal geen baan.

Als er een rode draad door het werk van Belcher loopt, is het de overtuiging dat technologie en engineering kunnen helpen bij het aanpakken van maatschappelijke problemen. In een toespraak die ze hield toen ze in juli de Lemelson-MIT-prijs in ontvangst nam, drong ze er bij middelbare scholieren op aan die hadden gewonnen prijzen van de Lemelson Foundation om te proberen de wereld een betere plek te maken. Met een deel van het prijzengeld wil ze een outreach-programma uitbreiden dat ze heeft gebruikt om de interesse van schoolgaande kinderen voor wetenschap aan te wakkeren door middel van praktische experimenten. Ze bezoekt scholen en musea om lezingen te houden met leerlingen van kleuterschool tot middelbare school, en leidt hen bij experimenten zoals het isoleren van DNA van hun wangen. Belcher heeft goede herinneringen aan knutselen, dingen bouwen in de garage en - ondanks dat ze dyslectisch is - urenlang in de bibliotheek boeken lezen over medicijnen toen ze een jong meisje was. Deze passie voor wetenschap hoopt ze te delen met haar zoons van zeven en drie.

Belcher begrijpt hoe belangrijk het is om vroeg te beginnen: zelf raakte ze gefascineerd door de oorsprong van het leven en de microscopische wereld toen ze amper op de lagere school zat. Diezelfde kinderlijke fascinatie - en een verlangen om een ​​verschil te maken - is nog steeds wat haar vandaag voedt. Ik hou ervan om problemen op te lossen die belangrijk zijn voor de planeet, zegt ze. Elke dag word ik wakker met de wetenschap dat er iets interessants gebeurt in het lab.

zich verstoppen