Äventyr på den intellektuella lekplatsen

En av de mest spännande ögonblicken i Angela Belchers yrkesliv kom under ett rutinbesök på labbet vintern 2009. Två av hennes doktorander vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik försökte utnyttja biologiska verktyg för att tillverka material till ett batteri elektrod. De visade henne en petriskål som innehöll ett virus som de hade konstruerat för att binda till material som det normalt inte skulle ha någon affinitet för - järnfosfat och kolnanorör. Viruset hade prydligt satt ihop de två materialen till små trådar, som skulle visa sig fungera lika bra som elektroderna i kommersiella litiumjonbatterier.

För eleverna var det ett lovande resultat. Men för henne var det något mycket större – förverkligandet av en djärv idé som hon en gång hade avskräckts från att ens fortsätta. När jag började var min dröm verkligen att använda genetik, eller kontroll av DNA, för att göra icke-biologiska enheter bättre än vad som kan göras på andra sätt. Det var en mer långsiktig idé, säger Belcher, som säger att hon fortfarande får rysningar av att berätta om historien. Nu hade hennes elever faktiskt uppnått det målet: genom att mixtra med generna från ett virus kunde de producera ett högpresterande elektrodmaterial. Vi hade kommit dit snabbare än jag förväntat mig, säger hon.

Att labbarbete på virusodlade batterier ledde till en papper i Vetenskap 2009 och massor av uppmärksamhet i media. Batterier är dock bara en möjlig produkt av den nya verktygslåda som Belcher har varit banbrytande för. Hon konstruerar virus, och i vissa fall jästsvampar, för att fungera som biologiska fabriker som producerar oorganiska material med former och strukturer som annars skulle vara svåra att tillverka. Pennformade virus som infekterar bakterier fungerar som en mall eller ställning där nanopartiklar samlas. Virusen är kapabla att sätta ihop välordnade kristaller eller trådar i nanoskala som kan vara användbara i en mängd olika tillämpningar.

Genom många samarbeten har Belcher tillämpat sina verktyg på några av samhällets största problem inom energi, miljö och medicin. Hon har förbättrat solcellsprestanda och utvecklat katalysatorer som kan dela väte från vatten för bränsle och omvandla naturgas till industrikemikalier. Ett företag som hon grundade kom på nya sätt att tillverka material för pekskärmsskärmar, och hennes labb har konstruerat jäst för att förvandla avfallskoldioxid från kraftverk till golvplattor. Hon är professor i energi vid både materialvetenskap och biologiska ingenjörsavdelningar, och gick med på MIT:s David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research 2010 och började arbeta med att ta fram diagnostiska verktyg och behandlingar för cancer också. På senare tid har hon börjat utveckla material som kan rena och separera vatten från organiskt avfall eller olja, och hon har börjat arbeta med litium-luftbatterier för elfordon samt energilagringsenheter som kallas superkondensatorer.

Ett klassiskt Eureka-ögonblick
Anmärkningsvärt nog har hon åstadkommit allt detta vid 46 års ålder – och allt går i slutändan tillbaka till sjösnigeln.

Belcher, som skapade sin egen läroplan som kombinerar flera vetenskapsområden som student vid University of California, Santa Barbara, blev fascinerad av abalonen och valde den som sitt ämne när hon tog en doktorsexamen i kemi vid samma skola. Hon hade tre doktorandrådgivare – en kemist, en molekylärbiolog och en fysiker – som höll möten varje vecka för att hjälpa varandra att överbrygga klyftorna mellan sina områden. Det var så jag lärde mig naturvetenskap, säger hon. För mig är det ett helt normalt sätt att närma sig världen.

Belcher fokuserade på hur djuret gör sitt skal. Abalones producerar proteiner som kombineras med joner av kalcium och karbonat från havsvatten för att bilda rader av små oorganiska kristaller - en typ för ett yttre skal och en för ett extremt starkt inre skal. När hon en dag tänkte på den här processen medan hon tittade ut över havet från sitt kontor, hade Belcher ett klassiskt eureka-ögonblick. När hennes blick flyttade från fönstret till det periodiska systemet med grundämnen på hennes vägg – högt placerat för att inte blockera sikten – undrade hon om de skalproteiner hon isolerat i sitt doktorandarbete kunde skapa användbara material genom att kombineras med andra grundämnen.

Jag tänkte, skulle det inte vara intressant i halvledare om du hade ett protein som skulle växa en kristallstruktur mot en annan och du kunde göra det med genetisk kontroll, säger Belcher. Det var då jag tänkte på hur jag skulle utveckla den genetiska koden för halvledare.

Denna kärnnaturinspirerade insikt – att man skulle kunna använda genetik för att producera oorganiska material – har lett till dussintals vetenskapliga publikationer och en svindlande mängd forskningsprojekt. Bland hennes utmärkelser är ett genistipendium från MacArthur 2004, ett erkännandepris från den amerikanska armén och årets 500 000 $ Lemelson-MIT-priset. När Barack Obama kom till MIT 2009 och höll ett tal om energi, informerade Belcher presidenten om hennes batteri- och solenergiforskning. (Hon gav honom också ett litet kort med det periodiska systemet, och berättade för honom att det kan vara praktiskt om du någon gång hamnar i kläm och behöver beräkna en molekylvikt. Obamas comeback: Tack. Jag ska titta på det med jämna mellanrum. )

Forskare respekterar Belcher för hennes djärva, stora idéer och hennes förmåga att göra verkliga framsteg i att omvandla dem till praktiska tillämpningar. Utöver sitt akademiska arbete har hon varit med och grundat två företag— Cambrios , som gör ett material baserat på silver nanotrådar som upptäcker fingerrörelser på pekskärmar, och Siluria Technologies, som har utvecklat en katalytisk process för att omvandla naturgas till eten som kan användas för att göra material som normalt härrör från petroleum. Hon är väldigt visionär och väldigt multidisciplinär, säger Seung-Wuk Lee, som arbetade med Belcher som doktorand och nu är en fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory och docent i bioteknik vid University of California, Berkeley. Hon är också lite praktisk. Hon kan visa sina idéer nu, inte om tio år.

Ett okonventionellt tillvägagångssätt
Belcher, en sjunde generationens texan, fick sitt första jobb som professor i kemi och biokemi vid University of Texas, Austin, 1999. Det visade sig vara en bra tid för forskning inom materialvetenskap och bioteknik: nanoteknik var ett lovande framväxande fält, och livsforskare hade tillgång till nya verktyg för genteknik. Hon började arbeta med pennformade bakteriofager, eller fager – naturligt förekommande virus som infekterar bakterier. Varje viruss gener innehåller instruktioner för att producera ett protein som täcker dess yta. Forskare kan rikta in sig på en specifik typ av molekyl genom att använda en fag vars speciella ytprotein fäster på den - en teknik som vanligtvis hade använts för att upptäcka läkemedel.

Virusproteinerna binder inte till oorganiska material i naturen, men Belcher ville se om de kunde konstrueras för att göra det. Bara några månader efter att ha blivit professor skrev hon sitt första bidragsförslag för att testa konceptet som hon först kläckt på sitt kontor i Santa Barbara: att det skulle vara möjligt att använda ett virus för att binda till en halvledare och sätta ihop ett halvledande material som viruset invaderar bakterier. Hon fick bara två svar från recensenter. En sa att det kunde vara intressant men Belcher hade inte den vetenskapliga bakgrunden för att göra det; den andra skrev helt enkelt: HON ÄR INSANE.

Även om hon var upprörd, fortsatte Belcher eftersom hennes erfarenhet av abalonen, vars proteiner binder till oorganiska material, gav henne förtroende för att det kunde fungera. Hon spenderade några hundra dollar för att köpa en injektionsflaska innehållande en samling fager konstruerade med slumpmässiga DNA-inlägg som kodar för så många som en miljard proteiner. Med hjälp av data från experiment skickade hon in sin bidragsidé igen och finansierades av armén. Inom ett år efter det första avslaget publicerade hon en papper i Natur demonstrerar att virus kan konstrueras för att producera proteiner som binder till ytorna på halvledare, en teknik som skulle göra det möjligt att i huvudsak odla material för elektronik. Varje virus fungerar som en mall och attraherar halvledarkristaller som är i linje med proteinerna som täcker viruset. Det banbrytande proof of concept lade grunden för allt ingenjörsarbete hon har gjort sedan dess.

Med Belchers metod exponerar labbforskare omkring en miljard virusvarianter för ett material som en metall eller halvledare, vilket identifierar och isolerar de proteiner som fäster till det bäst. Virusen som producerar dem placeras sedan i en lösning som innehåller bakterier. De infekterar bakterierna, som gör miljontals kopior av viruset och dess speciella DNA-sekvens. Slutligen introduceras de i en lösning som innehåller materialet av intresse. Ett virus som binder starkt till exempelvis guld läggs i en lösning som innehåller guldjoner. Guldet kommer att kristallisera längs virusets yta och överensstämma med formen av proteinet på dess päls.

Med hjälp av genteknik modifierar forskare virusets DNA-sekvens för att ytterligare kontrollera hur det binder. De kan locka det att sätta ihop flera material, som guld och platina, eller så kan de kontrollera formen på strukturerna som ett virus kommer att generera genom att välja om partiklar binder längs dess sidor eller vid spetsen. När virusen replikerar kan de sätta ihop betydande mängder av ett önskat material. Forskare kan också vägleda bildningen av material genom att ändra tillväxtförhållandena, såsom koncentrationen av viruset i en lösning. Beroende på vad som behövs kan de bilda antingen slumpmässigt orienterade strukturer eller en mer ordnad, repeterbar arkitektur.

Processen är vattenbaserad och gör det möjligt för forskare att tillverka material under miljövänliga förhållanden, vid rumstemperatur och under vanligt tryck. Det är en stor fördel jämfört med traditionell tillverkningsteknik för halvledare eller elektroniska kretsar, som kan kräva komplexa maskiner, giftiga material och höga temperaturer.

Ett samarbete med professorerna Yet-Ming Chiang och Paula Hammond gav ett virusodlat anodmaterial 2006.

Disney för forskare
När Belcher var vid University of Texas väckte hennes banbrytande forskning inom viral tillväxt av oorganiska material mycket uppmärksamhet inom den akademiska världen. Rekryterad av ett antal platser tog hon några resor till MIT, som hon kallar Disneyland för forskare och ingenjörer, och insåg att det passade bra. Varje möte jag skulle gå på med fakulteten kunde jag se kopplingen till deras arbete och folket var så exalterade över sin forskning, säger hon. Och det är inte som att de håller det nära sig själva – de samarbetar över hela campus. Det periodiska diagrammet hon gav president Obama – ett av en mängd kort som hon hade skrivit ut för att dela ut till förstaårsstudenter – innehåller en slagord som fångar hur hon kände sig när hon kom till institutet: Välkommen till MIT. Nu är du i ditt element.

Ett av de första partnerskapen som Belcher bildade vid MIT var med professor i kemiteknik Paula Hammond ’84, PhD ’93. Efter att ha pratat om sin forskning bestämde de sig för att arbeta med ett projekt för att göra sensorer som upptäcker biologiska agens. Hon ville förstå vilken typ av vetenskap som pågick runt omkring henne och vilken typ av utveckling hon kunde bidra till, säger Hammond. Hon byggde verkligen upp sin samarbetsgemenskap.

Under tiden förbättrade Belcher den grundläggande vetenskapen om sin virusverktygslåda och utökade sin palett av material. I experiment arbetade hennes labb igenom det periodiska systemet och såg vad vi var bra på att göra, säger hon. Framgång med metaller och metalloxider ledde till ett samarbete om batteriforskning med Hammond och Yet-Ming Chiang ’80, ScD ’85, en materialvetare som var med och grundade batteriföretaget A123 Systems. 2006 var de tre medförfattare till en papper i Vetenskap beskriver en viral tillväxtmetod för att tillverka nanotrådar av koboltoxid, ett anodmaterial för ett uppladdningsbart litiumjonbatteri, på flexibla polymerfilmer.

Även om det var imponerande, hade de bara skapat ett halvt batteri, som behöver både en anod och en katod. Belcher satte sedan ihop ett drömteam som inkluderade professorerna Gerbrand Ceder och Michael Stano. De konstruerade ett virus för att odla järnfosfat längs dess yta, och bildade nanotrådar för att fungera som katodmaterial.

Gruppen gick sedan ett steg längre, i jakten på ett batteri som kunde användas för bilar. Att bygga en katod för ett snabbt urladdningsbart batteri är svårare än att bygga en anod eftersom sådana elektroder måste vara mycket ledande, men de säkra och billiga materialen som Belchers team undersökte för katoder är mer isolerande och leder inte bra. För att ta itu med detta, konstruerade Belchers grupp en gen som tvingade viruset att fästa på kolnanorör. Medan järnfosfatet samlas längs långsidorna av virusets pennliknande form, fäster nanorören vid dess spets, vilket skapar ett nätverk av elektriska kontakter som underlättar flödet av elektroner och förbättrar batteriets kraft.

Det var det arbetet som ledde till banbrytandet Vetenskap paper från 2009, där forskarna beskrev hur de byggde en prototyp som matchade kraften och energikapaciteten hos de bästa batterierna vid den tiden. Eftersom elektroderna kan monteras på polymerfilmer, som fungerar som elektrolyten, kan tekniken leda till tunna, flexibla batterier eller sådana som tar formen av deras behållare. Susan Hockfield, då MIT:s president, demonstrerade prototypen, som tänder en liten LED-lampa, vid en presskonferens i Washington med president Obama om vikten av federala medel för energiforskning.

Belcher, som alltid var intensivt fokuserad på forskning som kan ha en bred inverkan, brainstormade också med Hammond om hur de kunde förbättra solenergi. De valde färgsensibiliserade solceller, där det aktiva skiktet är gjort av färgämnestäckt titandioxid. Även om sådana celler är billiga, omvandlar de inte ljus till elektricitet tillräckligt effektivt för användning på hustak eller i applikationer i skala. Men arbetet med att få virus att införliva kolnanorör i batterikatoder gav en väg för att göra ett stort hopp i effektivitet.

2011 konstruerade Belchers labb ett virus som sätter ihop kolnanorör längs dess längd på ett ordnat sätt. Sedan växer viruset ett yttre lager av titandioxid runt nanorören. Precis som i batteriarbetet skapar nanorören små ledningar för elektrisk ström i solcellen. Att lägga till det virusbyggda materialet i cellen ökar effektiviteten med mer än 30 procent. Hennes labb har också påbörjat ett projekt för att prova samma sak med solceller gjorda av kisel, det dominerande materialet i branschen. Det är så vi närmar oss det: finns det något sätt vi kan tillämpa biologi på ett nytt sätt? hon säger.

Förgrenar sig
När Belcher samlade på sig prestationer inom energi, uppmuntrade kollegor vid MIT, inklusive läkemedelsleveranspionjären Robert Langer, henne att tillämpa sin expertis inom nanovetenskap på cancer. Till en början var hon motvillig och lite skrämd. Hon var mer bekant med batterielektroder än cancerceller, hon var inte säker på vilket bidrag hon kunde ge. Men hon kastade sig till slut in i det, gick igenom cancerhandledningar med kollegor och samarbetade igen med andra forskare, inklusive MIT-professorn Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97. Vi var tvungna att lära oss allt från grunden, säger Belcher om hennes labbs cancerarbete. Vi hade aldrig kunnat gå in på det på egen hand.

Nu arbetar hon och Bhatia på en kirurgisk sond för att lokalisera mycket små tumörer. En metod som deras laboratorier utvecklar använder ett virus konstruerat för att binda till cancerceller och kolnanorör. En vätska som innehåller virus som redan är bundna till nanorör skulle injiceras i blodomloppet eller bukhålan för att söka upp tumörer. När virusen fäster vid en tumör, lyser nanorören under infrarött ljus, vilket gör att läkare kan se tumören med en specialiserad kamera. Med nuvarande metoder är det ofta utmanande att avbilda äggstockstumörer som är mindre än en centimeter i diameter utan operation. Men detta system har isolerat tumörer en millimeter i diameter i tester med djur. Fortfarande experimentell, kan tekniken vara mest användbar för att lokalisera tumörer som är svåra att hitta och för vilka tidig upptäckt kan vara mest användbar - som äggstockstumörer och bukspottkörteltumörer, säger hon. Belchers team undersöker också sätt att leverera läkemedel med hjälp av virus konstruerade för att fästa på cancerceller.

Blandar ihop det
Belchers genetiska verktygslåda har visat sig mångsidig, men stor vetenskap förklarar inte fullt ut hennes förmåga att arbeta inom så många områden. I sitt labb skapar hon en miljö där experter från olika discipliner – kemister, molekylärbiologer, fysiker och maskiningenjörer – tar sig an problem på unika sätt. Berkeleys Lee, till exempel, gick med i Belchers labb med en bakgrund inom polymerkemi men säger att han genom att arbeta med andra i labbet lärde sig tillräckligt med materialvetenskap och bioteknik för att undersöka virusbyggda halvledare. Hon har en ganska otrolig förmåga att välja en fantastisk uppsättning människor för sitt labb vid gränserna för många olika discipliner där mycket intressant vetenskap vanligtvis äger rum, säger Eric Krauland, PhD '07, chef för antikroppsupptäckt och optimering på bioteknikföretaget Adimab och en före detta doktorand i Belchers labb. Och hon är inte rädd för att anställa människor som kan mer än hon gör inom ett visst område. De lär mig, säger hon. Det är verkligen ett samarbete – jag får bara det stora kontoret.

Belcher gillar att kalla MIT en intellektuell lekplats på grund av de stora möjligheterna att dela idéer om spetsforskning. Det drivs inte av pengar eller nästa tidning. Det drivs av 'Wow, låt oss se vad vi kan göra tillsammans', säger hon. Det är därför det är roligt - det är därför det inte verkar som ett jobb alls.

Om en röd tråd går genom Belchers arbete är det en övertygelse att teknik och ingenjörskonst kan hjälpa till att ta itu med samhällsproblem. I ett tal hon höll när hon tog emot Lemelson-MIT-priset i juli, uppmanade hon gymnasieelever som hade vunnit priser från Lemelson Foundation för att försöka göra världen till en bättre plats. Med hjälp av en del av prispengarna tänker hon utöka ett uppsökande program som hon har använt för att väcka skolbarns intresse för naturvetenskap genom praktiska experiment. Hon besöker skolor och museer för att hålla samtal med elever från dagis till gymnasiet, vilket leder dem i experiment som att isolera DNA från deras kinder. Belcher har fina minnen av att mixtra, bygga saker i garaget och – trots att hon var dyslektisk – spenderade timmar på biblioteket med att läsa böcker om medicin när hon var en ung flicka. Hon hoppas kunna dela denna passion för vetenskap med sina söner, som är sju och tre.

Belcher förstår vikten av att börja tidigt: hon blev själv fascinerad av livets ursprung och den mikroskopiska världen när hon knappt gick i grundskolan. Samma barnsliga fascination – och en önskan att göra skillnad – är fortfarande det som driver henne idag. Jag älskar att lösa problem som är viktiga för planeten, säger hon. Varje dag vaknar jag och vet att det händer något intressant i labbet.

Dölj