Aventures sur le terrain de jeu intellectuel

L'un des moments les plus passionnants de la vie professionnelle d'Angela Belcher est survenu lors d'une visite de routine au laboratoire à l'hiver 2009. Deux de ses étudiants diplômés du département de science et génie des matériaux du MIT essayaient d'utiliser des outils biologiques pour fabriquer des matériaux pour une batterie. électrode. Ils lui ont montré une boîte de Pétri contenant un virus qu'ils avaient conçu pour se lier à des matériaux pour lesquels il n'aurait normalement aucune affinité : le phosphate de fer et les nanotubes de carbone. Le virus avait soigneusement assemblé les deux matériaux en de minuscules fils, qui se révéleraient aussi performants que les électrodes des batteries lithium-ion commerciales.

Pour les étudiants, c'était un résultat prometteur. Pour elle, cependant, c'était quelque chose de bien plus important : la réalisation d'une idée audacieuse qu'elle avait été découragée de poursuivre une fois. Quand j'ai commencé, mon rêve était vraiment d'utiliser la génétique, ou le contrôle de l'ADN, pour rendre les appareils non biologiques meilleurs que ceux qui peuvent être fabriqués par d'autres moyens. C'était une idée à plus long terme, un gâteau dans le ciel, dit Belcher, qui dit qu'elle a encore des frissons en racontant l'histoire. Ses étudiants avaient maintenant atteint cet objectif : en bricolant les gènes d'un virus, ils étaient capables de produire un matériau d'électrode haute performance. Nous y étions arrivés plus vite que prévu, dit-elle.

Ce travail de laboratoire sur les batteries développées par des virus a conduit à un papier dans La science en 2009 et beaucoup d'attention médiatique. Les batteries, cependant, ne sont qu'un des produits possibles de la nouvelle boîte à outils dont Belcher a été le pionnier. Elle conçoit des virus, et dans certains cas des levures, pour qu'ils agissent comme des usines biologiques produisant des matériaux inorganiques avec des formes et des structures qu'il serait difficile de fabriquer autrement. Les virus en forme de crayon qui infectent les bactéries agissent comme un modèle ou un échafaudage sur lequel les nanoparticules s'accumulent. Les virus sont capables d'assembler des cristaux ou des fils nanométriques hautement ordonnés qui peuvent être utiles dans une variété d'applications.

Grâce à de nombreuses collaborations, Belcher a appliqué ses outils à certains des plus grands problèmes de société en matière d'énergie, d'environnement et de médecine. Elle a amélioré les performances des cellules solaires et développé des catalyseurs capables de séparer l'hydrogène de l'eau pour en faire du carburant et de convertir le gaz naturel en produits chimiques industriels. Une entreprise qu'elle a fondée a trouvé de nouvelles façons de fabriquer des matériaux pour les écrans tactiles, et son laboratoire a conçu de la levure pour transformer les déchets de dioxyde de carbone des centrales électriques en dalles de sol. Professeur d'énergie dans les départements de science des matériaux et de génie biologique, elle a rejoint l'Institut David H. Koch du MIT pour la recherche intégrative sur le cancer en 2010 et a commencé à travailler à la conception d'outils de diagnostic et de traitements pour le cancer également. Plus récemment, elle a commencé à développer des matériaux qui pourraient purifier et séparer l'eau des déchets organiques ou du pétrole, et elle a commencé à travailler sur des batteries lithium-air pour véhicules électriques ainsi que sur des dispositifs de stockage d'énergie appelés supercondensateurs.

Un moment Eureka classique
Remarquablement, elle a accompli tout cela à l'âge de 46 ans - et tout revient finalement à l'escargot de mer ormeau.

Belcher, qui a créé son propre programme combinant plusieurs domaines scientifiques en tant qu'étudiante de premier cycle à l'Université de Californie à Santa Barbara, est devenue fascinée par l'ormeau et l'a choisi comme sujet lorsqu'elle a poursuivi un doctorat en chimie dans la même école. Elle avait trois directeurs de doctorat – un chimiste, un biologiste moléculaire et un physicien – qui tenaient des réunions hebdomadaires pour s'entraider à combler les écarts entre leurs domaines. C'est comme ça que j'ai appris la science, dit-elle. Pour moi, c'est une façon tout à fait normale d'aborder le monde.

Belcher s'est concentré sur la façon dont l'animal fabrique sa coquille. Les ormeaux produisent des protéines qui se combinent avec les ions de calcium et de carbonate de l'eau de mer pour former des rangées de minuscules cristaux inorganiques - un type pour une coque externe et un pour une coque interne extrêmement solide. En pensant à ce processus alors qu'elle regardait l'océan depuis son bureau un jour, Belcher a eu un moment eurêka classique. Alors que son regard passait de la fenêtre au tableau périodique des éléments sur son mur - placé haut pour ne pas bloquer la vue - elle se demandait si les protéines de la coquille qu'elle avait isolées dans son travail de doctorat pouvaient créer des matériaux utiles en se combinant avec d'autres éléments.

J'ai pensé, ne serait-il pas intéressant dans les semi-conducteurs si vous aviez une protéine qui ferait croître une structure cristalline par rapport à une autre et que vous pourriez le faire avec un contrôle génétique, dit Belcher. C'est à ce moment-là que j'ai commencé à réfléchir à la façon de développer ce code génétique pour les semi-conducteurs.

Cette idée fondamentale inspirée de la nature - que l'on pourrait utiliser la génétique pour produire des matériaux inorganiques - a conduit à des dizaines de publications scientifiques et à une variété vertigineuse de projets de recherche. Parmi ses distinctions figurent une bourse de génie MacArthur en 2004, un prix de reconnaissance de l'armée américaine et le prix Lemelson-MIT de 500 000 $ de cette année. Lorsque Barack Obama est venu au MIT en 2009 et a prononcé un discours sur l'énergie, Belcher a informé la présidente de ses recherches sur les batteries et l'énergie solaire. (Elle lui a également donné une petite carte avec le tableau périodique, lui disant que cela pourrait être utile si jamais vous êtes dans une impasse et avez besoin de calculer un poids moléculaire. Le retour d'Obama : Merci. Je le regarderai périodiquement. )

Les scientifiques respectent Belcher pour ses idées audacieuses et globales et sa capacité à faire de réels progrès pour les transformer en applications pratiques. En plus de son travail académique, elle a cofondé deux entreprises— Cambrios , qui fabrique un matériau à base de nanofils d'argent qui détecte les mouvements des doigts sur les écrans tactiles, et Siluria Technologies, qui a développé un procédé catalytique pour convertir le gaz naturel en éthylène qui peut être utilisé pour fabriquer des matériaux normalement dérivés du pétrole. Elle est très visionnaire et très multidisciplinaire, déclare Seung-Wuk Lee, qui a travaillé avec Belcher en tant qu'étudiante diplômée et est maintenant chercheur universitaire au Lawrence Berkeley National Laboratory et professeur agrégé de bio-ingénierie à l'Université de Californie à Berkeley. Elle est aussi plutôt pratique. Elle peut démontrer ses idées maintenant, pas dans 10 ans.

Une approche non conventionnelle
Belcher, une Texane de septième génération, a obtenu son premier emploi en tant que professeur de chimie et de biochimie à l'Université du Texas, Austin, en 1999. Cela s'est avéré être un bon moment pour la recherche en science des matériaux et en bio-ingénierie : la nanotechnologie était une voie prometteuse. domaine émergent, et les scientifiques de la vie ont eu accès à de nouveaux outils pour le génie génétique. Elle a commencé à travailler avec des bactériophages en forme de crayon, ou phages, des virus naturels qui infectent les bactéries. Les gènes de chaque virus contiennent des instructions pour produire une protéine qui recouvre sa surface. Les chercheurs peuvent cibler un type spécifique de molécule en utilisant un phage dont la protéine de surface particulière s'y accroche, une technique qui avait généralement été utilisée pour la découverte de médicaments.

Les protéines virales ne se lient pas aux matériaux inorganiques dans la nature, mais Belcher voulait voir si elles pouvaient être conçues pour le faire. Quelques mois seulement après être devenue professeur, elle a écrit sa première proposition de subvention pour tester le concept qu'elle avait d'abord élaboré dans son bureau de Santa Barbara : qu'il serait possible d'utiliser un virus pour se lier à un semi-conducteur et assembler un matériau semi-conducteur comme le virus envahit les bactéries. Elle n'a obtenu que deux réponses des critiques. L'un d'eux a dit que cela pourrait être intéressant, mais Belcher n'avait pas les connaissances scientifiques pour le faire ; l'autre a simplement écrit : ELLE EST FOLLE.

Bien que contrariée, Belcher a continué parce que son expérience avec l'ormeau, dont les protéines se lient aux matériaux inorganiques, lui a donné confiance en son efficacité. Elle a dépensé quelques centaines de dollars pour acheter un flacon contenant une collection de phages conçus avec des inserts d'ADN aléatoires qui codent pour jusqu'à un milliard de protéines. À l'aide des données d'expériences, elle a soumis à nouveau son idée de subvention et a été financée par l'armée. Moins d'un an après le premier rejet, elle a publié un papier dans La nature démontrant que les virus pouvaient être conçus pour produire des protéines qui se lient à la surface des semi-conducteurs, une technique qui permettrait essentiellement de développer des matériaux pour l'électronique. Chaque virus agit comme un modèle, attirant des cristaux semi-conducteurs qui s'alignent avec les protéines recouvrant le virus. Cette preuve de concept révolutionnaire a jeté les bases de tous les travaux d'ingénierie qu'elle a effectués depuis.

Avec la méthode de Belcher, les chercheurs du laboratoire exposent environ un milliard de variantes virales à un matériau tel qu'un métal ou un semi-conducteur, identifiant et isolant les protéines qui s'y attachent le mieux. Les virus qui les produisent sont ensuite placés dans une solution contenant des bactéries. Ils infectent les bactéries, qui fabriquent des millions de copies du virus et de sa séquence d'ADN particulière. Enfin, ils sont introduits dans une solution contenant le matériau d'intérêt. Un virus qui se lie fortement à l'or, par exemple, est mis dans une solution qui contient des ions d'or. L'or cristallisera le long de la surface du virus, se conformant à la forme de la protéine sur son manteau.

En utilisant le génie génétique, les scientifiques modifient la séquence d'ADN du virus pour mieux contrôler la façon dont il se lie. Ils peuvent l'amener à assembler plusieurs matériaux, tels que l'or et le platine, ou ils peuvent contrôler la forme des structures qu'un virus va générer en choisissant si les particules se lient le long de ses côtés ou à son extrémité. Au fur et à mesure que les virus se répliquent, ils peuvent assembler des quantités importantes d'un matériau souhaité. Les chercheurs peuvent également guider la formation de matériaux en modifiant les conditions de croissance, telles que la concentration du virus dans une solution. Selon les besoins, ils peuvent former soit des structures orientées de manière aléatoire, soit une architecture plus ordonnée et reproductible.

Le processus est à base d'eau et permet aux scientifiques de fabriquer des matériaux dans des conditions respectueuses de l'environnement, à température ambiante et sous pression ordinaire. C'est un gros avantage par rapport aux techniques de fabrication traditionnelles pour les semi-conducteurs ou les circuits électroniques, qui peuvent nécessiter des machines complexes, des matériaux toxiques et des températures élevées.

Une collaboration avec les professeurs Yet-Ming Chiang et Paula Hammond a donné un matériau d'anode cultivé par un virus en 2006.

Disney pour les scientifiques
Lorsque Belcher était à l'Université du Texas, ses recherches pionnières sur la croissance virale des matériaux inorganiques ont attiré beaucoup d'attention dans le monde universitaire. Recrutée par un certain nombre d'endroits, elle a fait quelques voyages au MIT, qu'elle appelle Disneyland pour les scientifiques et les ingénieurs, et s'est rendu compte que cela lui convenait parfaitement. À chaque réunion à laquelle j'allais avec les professeurs, je pouvais voir le lien avec leur travail et les gens étaient tellement enthousiasmés par leurs recherches, dit-elle. Et ce n'est pas comme s'ils le gardaient près d'eux - ils collaborent partout sur le campus. Le tableau périodique qu'elle a donné au président Obama - l'une des cartes qu'elle avait imprimées pour les distribuer aux étudiants de première année - comprend un slogan qui capture ce qu'elle a ressenti à son arrivée à l'Institut : Bienvenue au MIT. Vous êtes maintenant dans votre élément.

L'un des premiers partenariats que Belcher a formé au MIT était avec le professeur de génie chimique Paula Hammond '84, PhD '93. Après avoir parlé de leurs recherches, ils ont décidé de travailler sur un projet de fabrication de capteurs détectant des agents biologiques. Elle voulait comprendre quels types de science se déroulaient autour d'elle et à quels types de développements elle pourrait contribuer, dit Hammond. Elle construisait vraiment sa communauté collaborative.

Pendant ce temps, Belcher améliorait la science fondamentale de sa boîte à outils antivirus et élargissait sa palette de matériaux. Dans les expériences, son laboratoire travaillait à travers le tableau périodique et voyait ce que nous faisions bien, dit-elle. Le succès avec les métaux et les oxydes métalliques a conduit à une collaboration sur la recherche sur les batteries avec Hammond et Yet-Ming Chiang '80, ScD '85, un scientifique des matériaux qui a cofondé la société de batteries A123 Systems. En 2006, les trois co-auteurs d'un papier dans La science décrivant une méthode de croissance virale pour fabriquer des nanofils d'oxyde de cobalt, un matériau d'anode pour une batterie lithium-ion rechargeable, sur des films polymères flexibles.

Bien que cela soit impressionnant, ils n'avaient créé que la moitié d'une batterie, qui nécessite à la fois une anode et une cathode. Belcher a ensuite réuni une équipe de rêve qui comprenait les professeurs Gerbrand Ceder et Michael Stano. Ils ont conçu un virus pour faire croître du phosphate de fer le long de sa surface, formant des nanofils pour servir de matériau de cathode.

Le groupe est ensuite allé plus loin, à la recherche d'une batterie qui pourrait être utilisée pour les voitures. Construire une cathode pour une batterie à décharge rapide est plus difficile que de construire une anode, car de telles électrodes doivent être hautement conductrices, mais les matériaux sûrs et peu coûteux que l'équipe de Belcher explorait pour les cathodes sont plus isolants et ne conduisent pas bien. Pour résoudre ce problème, le groupe de Belcher a conçu un gène qui a obligé le virus à s'accrocher aux nanotubes de carbone. Alors que le phosphate de fer s'assemble le long des côtés longs de la forme en crayon du virus, les nanotubes se fixent à sa pointe, créant un réseau de contacts électriques qui facilitent le flux d'électrons et améliorent la puissance de la batterie.

C'est le travail qui a conduit à l'inauguration La science article de 2009, dans lequel les chercheurs décrivaient comment ils avaient construit un prototype qui correspondait à la puissance et à la capacité énergétique des meilleures batteries de l'époque. Parce que les électrodes pourraient s'assembler sur des films polymères, qui jouent le rôle d'électrolyte, la technologie pourrait conduire à des batteries minces et flexibles ou prenant la forme de leur conteneur. Susan Hockfield, alors présidente du MIT, a fait la démonstration du prototype, qui allume une petite ampoule LED, lors d'une conférence de presse à Washington avec le président Obama sur l'importance des fonds fédéraux pour la recherche énergétique.

Toujours intensément concentré sur la recherche qui pourrait avoir un large impact, Belcher a également réfléchi avec Hammond sur la façon dont ils pourraient améliorer l'énergie solaire. Ils ont choisi des cellules solaires à colorant, dans lesquelles la couche active est constituée de dioxyde de titane recouvert de colorant. Bien que ces cellules soient peu coûteuses, elles ne convertissent pas suffisamment la lumière en électricité pour une utilisation sur les toits ou dans des applications à grande échelle. Mais les travaux visant à amener les virus à incorporer des nanotubes de carbone dans les cathodes des batteries ont permis de faire un grand saut en termes d'efficacité.

En 2011, le laboratoire de Belcher a conçu un virus qui assemble des nanotubes de carbone sur toute sa longueur de manière ordonnée. Ensuite, le virus développe une couche externe de dioxyde de titane autour des nanotubes. Comme dans le travail sur batterie, les nanotubes créent de minuscules fils pour le courant électrique dans la cellule solaire. L'ajout du matériel créé par le virus à la cellule augmente l'efficacité de plus de 30 %. Son laboratoire a également lancé un projet pour essayer la même chose avec des cellules solaires en silicium, le matériau dominant de l'industrie. C'est ainsi que nous l'abordons : y a-t-il un moyen d'appliquer la biologie d'une nouvelle manière ? elle dit.

Ramification
Alors que Belcher accumulait des réalisations dans le domaine de l'énergie, des collègues du MIT, dont le pionnier de l'administration de médicaments, Robert Langer, l'ont encouragée à appliquer son expertise en nanosciences au cancer. Au début, elle était réticente et un peu intimidée. Plus familière avec les électrodes de batterie que les cellules cancéreuses, elle n'était pas sûre de la contribution qu'elle pouvait apporter. Mais elle s'est finalement lancée dedans, en suivant des tutoriels sur le cancer avec des collègues et en collaborant à nouveau avec d'autres chercheurs, dont le professeur du MIT Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97. Nous avons dû tout apprendre à partir de zéro, dit Belcher à propos du travail de son laboratoire sur le cancer. Nous n'aurions jamais pu aborder cela par nous-mêmes.

Maintenant, elle et Bhatia travaillent sur une sonde chirurgicale pour localiser de très petites tumeurs. Une méthode que leurs laboratoires développent utilise un virus conçu pour se lier aux cellules cancéreuses et aux nanotubes de carbone. Un liquide contenant des virus déjà liés aux nanotubes serait injecté dans la circulation sanguine ou la cavité abdominale pour rechercher des tumeurs. Lorsque les virus se sont attachés à une tumeur, les nanotubes brilleraient sous la lumière infrarouge, permettant aux médecins de voir la tumeur avec une caméra spécialisée. Avec les méthodes actuelles, il est souvent difficile d'imager des tumeurs ovariennes de moins d'un centimètre de diamètre sans chirurgie. Mais ce système a isolé des tumeurs d'un millimètre de diamètre lors de tests sur des animaux. Encore expérimentale, la technique pourrait être très utile pour localiser les tumeurs difficiles à trouver et pour lesquelles une détection précoce peut être la plus utile, comme les tumeurs de l'ovaire et du pancréas, dit-elle. L'équipe de Belcher explore également des moyens d'administrer des médicaments à l'aide de virus conçus pour se fixer aux cellules cancéreuses.

Mélanger
La boîte à outils génétique de Belcher s'est avérée polyvalente, mais la grande science n'explique pas entièrement sa capacité à travailler dans autant de domaines. Dans son laboratoire, elle crée un environnement où des experts de différentes disciplines (chimistes, biologistes moléculaires, physiciens et ingénieurs en mécanique) abordent les problèmes de manière unique. Lee de Berkeley, par exemple, a rejoint le laboratoire de Belcher avec une formation en chimie des polymères, mais dit qu'en travaillant avec d'autres dans le laboratoire, il a appris suffisamment de science des matériaux et de bio-ingénierie pour étudier les semi-conducteurs construits par des virus. Elle a une capacité assez étrange à choisir un grand nombre de personnes pour son laboratoire aux limites de nombreuses disciplines différentes où de nombreuses sciences intéressantes se déroulent généralement, explique Eric Krauland, PhD '07, directeur de la découverte et de l'optimisation des anticorps. à la société de biotechnologie Adimab et ancien doctorant au laboratoire de Belcher. Et elle n'a pas peur d'embaucher des gens qui en savent plus qu'elle dans un domaine particulier. Ils m'apprennent, dit-elle. C'est vraiment une collaboration - je viens d'avoir le grand bureau.

Belcher aime appeler le MIT un terrain de jeu intellectuel en raison des nombreuses opportunités de partager des idées sur la recherche de pointe. Ce n'est pas motivé par l'argent ou le prochain papier. Il est motivé par « Wow, voyons ce que nous pouvons faire ensemble », dit-elle. C'est pourquoi c'est amusant, c'est pourquoi cela ne ressemble pas du tout à un travail.

Si un fil conducteur traverse le travail de Belcher, c'est la conviction que la technologie et l'ingénierie peuvent aider à résoudre les problèmes de société. Dans un discours qu'elle a prononcé lorsqu'elle a accepté le prix Lemelson-MIT en juillet, elle a exhorté les élèves du secondaire qui avaient remporté prix de la Fondation Lemelson pour essayer de rendre le monde meilleur. En utilisant une partie de l'argent du prix, elle a l'intention d'étendre un programme de sensibilisation qu'elle a utilisé pour éveiller l'intérêt des enfants d'âge scolaire pour la science grâce à des expérimentations pratiques. Elle visite des écoles et des musées pour animer des discussions avec des élèves allant de la maternelle au lycée, les menant dans des expériences telles que l'isolement de l'ADN de leurs joues. Belcher a de bons souvenirs de bricoler, de construire des choses dans le garage et, bien qu'elle soit dyslexique, de passer des heures à la bibliothèque à lire des livres sur la médecine lorsqu'elle était une jeune fille. Elle espère partager cette passion pour la science avec ses fils, qui ont sept et trois ans.

Belcher comprend l'importance de commencer tôt : elle-même est devenue fascinée par les origines de la vie et le monde microscopique alors qu'elle était à peine à l'école primaire. Cette même fascination enfantine – et le désir de faire la différence – est toujours ce qui l'anime aujourd'hui. J'aime résoudre les problèmes qui sont importants pour la planète, dit-elle. Chaque jour, je me réveille en sachant qu'il se passe quelque chose d'intéressant dans le laboratoire.

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