Aventuras en el patio de recreo intelectual

Uno de los momentos más emocionantes en la vida profesional de Angela Belcher se produjo durante una visita de rutina al laboratorio en el invierno de 2009. Dos de sus estudiantes graduados en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT estaban tratando de aprovechar herramientas biológicas para fabricar materiales para una batería. electrodo. Le mostraron una placa de Petri que contenía un virus que habían diseñado para unirse a materiales por los que normalmente no tendría ninguna afinidad: fosfato de hierro y nanotubos de carbono. El virus había ensamblado cuidadosamente los dos materiales en pequeños cables, que resultaron funcionar tan bien como los electrodos de las baterías comerciales de iones de litio.

Para los estudiantes, fue un resultado prometedor. Para ella, sin embargo, era algo mucho más grande: la realización de una idea audaz que una vez se había desanimado de siquiera seguir. Cuando comencé, mi sueño era realmente usar la genética, o el control del ADN, para hacer que los dispositivos no biológicos fueran mejores de lo que se pueden fabricar de otras formas. Fue una idea a más largo plazo, como un pastel en el cielo, dice Belcher, quien dice que todavía siente escalofríos al contar la historia. Ahora, sus estudiantes habían logrado ese objetivo: jugando con los genes de un virus, pudieron producir un material de electrodo de alto rendimiento. Llegamos más rápido de lo que esperaba, dice.

Ese trabajo de laboratorio con baterías cultivadas con virus condujo a una papel en Ciencias en 2009 y mucha atención de los medios. Las baterías, sin embargo, son solo un posible producto del novedoso conjunto de herramientas en el que Belcher ha sido pionero. Ella diseña virus, y en algunos casos levaduras, para que actúen como fábricas biológicas que producen materiales inorgánicos con formas y estructuras que serían difíciles de fabricar de otra manera. Los virus en forma de lápiz que infectan a las bacterias actúan como una plantilla o andamio en el que se acumulan las nanopartículas. Los virus son capaces de ensamblar cristales o alambres a nanoescala altamente ordenados que pueden ser útiles en una variedad de aplicaciones.

A través de numerosas colaboraciones, Belcher ha aplicado sus herramientas a algunos de los mayores problemas de la sociedad en materia de energía, medio ambiente y medicina. Ha mejorado el rendimiento de las células solares y ha desarrollado catalizadores que pueden separar el hidrógeno del agua para obtener combustible y convertir el gas natural en productos químicos industriales. Una empresa que fundó ideó nuevas formas de fabricar materiales para pantallas táctiles, y su laboratorio ha diseñado levadura para convertir el dióxido de carbono residual de las plantas de energía en baldosas. Profesora de energía en los departamentos de ciencia de materiales e ingeniería biológica, se unió al Instituto David H. Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT en 2010 y comenzó a trabajar para diseñar herramientas de diagnóstico y tratamientos para el cáncer también. Más recientemente, comenzó a desarrollar materiales que podrían purificar y separar el agua de los desechos orgánicos o el aceite, y comenzó a trabajar en baterías de litio-aire para vehículos eléctricos, así como en dispositivos de almacenamiento de energía llamados supercondensadores.

Un momento clásico de Eureka
Sorprendentemente, ha logrado todo esto a la edad de 46 años, y finalmente todo se remonta al caracol de mar abulón.

Belcher, quien creó su propio plan de estudios combinando múltiples áreas de la ciencia como estudiante en la Universidad de California, Santa Bárbara, quedó fascinada por el abulón y lo eligió como su asignatura cuando realizó un doctorado en química en la misma escuela. Tenía tres asesores de doctorado (un químico, un biólogo molecular y un físico) que celebraban reuniones semanales para ayudarse mutuamente a cerrar las brechas entre sus campos. Esa es la forma en que aprendí ciencia, dice ella. Para mí, es una forma completamente normal de acercarme al mundo.

Belcher se centró en la forma en que el animal hace su caparazón. Los abulones producen proteínas que se combinan con iones de calcio y carbonato del agua de mar para formar filas de diminutos cristales inorgánicos, un tipo para una capa exterior y otro para una capa interior extremadamente fuerte. Un día, pensando en este proceso mientras miraba el océano desde su oficina, Belcher tuvo un momento eureka clásico. Mientras su mirada se desplazaba de la ventana a la tabla periódica de elementos en su pared, colocada en alto para no bloquear la vista, se preguntó si las proteínas de la cáscara que había aislado en su trabajo de doctorado podrían crear materiales útiles combinándolos con otros elementos.

Pensé, ¿no sería interesante en los semiconductores si tuvieras una proteína que hiciera crecer una estructura cristalina frente a otra y pudieras hacerlo con control genético ?, dice Belcher. Fue entonces cuando me propuse pensar en cómo desarrollar ese código genético para semiconductores.

Esta idea central inspirada en la naturaleza, que uno podría usar la genética para producir materiales inorgánicos, ha llevado a docenas de publicaciones científicas y una variedad vertiginosa de proyectos de investigación. Entre sus elogios se encuentran una beca de genio MacArthur en 2004, un premio de reconocimiento del Ejército de los EE. UU. Y el premio Lemelson-MIT de $ 500,000 de este año. Cuando Barack Obama llegó al MIT en 2009 y pronunció un discurso sobre energía, Belcher informó al presidente sobre su investigación sobre baterías y energía solar. (También le dio una pequeña tarjeta con la tabla periódica, diciéndole que podría ser útil si alguna vez se encuentra en un aprieto y necesita calcular un peso molecular. El regreso de Obama: Gracias. Lo revisaré periódicamente. )

Los científicos respetan a Belcher por sus ideas audaces y de gran envergadura y su capacidad para lograr un progreso real para convertirlas en aplicaciones prácticas. Además de su trabajo académico, ha cofundado dos empresas: Cambrios , que fabrica un material a base de nanocables de plata que detecta los movimientos de los dedos en las pantallas táctiles, y Siluria Technologies, que ha desarrollado un proceso catalítico para convertir el gas natural en etileno que se puede utilizar para fabricar materiales normalmente derivados del petróleo. Es muy visionaria y muy multidisciplinaria, dice Seung-Wuk Lee, quien trabajó con Belcher como estudiante de posgrado y ahora es científica de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y profesora asociada de bioingeniería en la Universidad de California, Berkeley. Ella también es algo práctica. Ella puede demostrar sus ideas ahora, no dentro de 10 años.

Un enfoque poco convencional
Belcher, una texana de séptima generación, consiguió su primer trabajo como profesora de química y bioquímica en la Universidad de Texas, Austin, en 1999. Resultó ser un buen momento para la investigación en ciencia de materiales y bioingeniería: la nanotecnología era un prometedor campo emergente, y los científicos de la vida tuvieron acceso a nuevas herramientas para la ingeniería genética. Comenzó a trabajar con bacteriófagos en forma de lápiz, o fagos, virus naturales que infectan a las bacterias. Los genes de cada virus contienen instrucciones para producir una proteína que recubre su superficie. Los investigadores pueden apuntar a un tipo específico de molécula mediante el uso de un fago cuya proteína de superficie particular se adhiere a él, una técnica que se había utilizado típicamente para el descubrimiento de fármacos.

Las proteínas del virus no se unen a materiales inorgánicos en la naturaleza, pero Belcher quería ver si podían diseñarse para hacerlo. Solo unos meses después de convertirse en profesora, escribió su primera propuesta de subvención para probar el concepto que había tramado por primera vez en su oficina en Santa Bárbara: que sería posible usar un virus para unirse a un semiconductor y ensamblar un material semiconductor como el virus invade las bacterias. Solo obtuvo dos respuestas de los revisores. Uno dijo que podría ser interesante, pero Belcher no tenía la base científica para hacerlo; el otro simplemente escribió: ELLA ESTÁ LOCA.

Aunque molesta, Belcher continuó porque su experiencia con el abulón, cuyas proteínas se unen a materiales inorgánicos, le dio confianza en que podría funcionar. Gastó unos cientos de dólares para comprar un vial que contiene una colección de fagos diseñados con insertos de ADN aleatorios que codifican hasta mil millones de proteínas. Utilizando datos de experimentos, volvió a enviar su idea de subvención y fue financiada por el Ejército. Un año después del primer rechazo, publicó un papel en Naturaleza demostrando que los virus podrían diseñarse para producir proteínas que se unan a las superficies de los semiconductores, una técnica que permitiría cultivar esencialmente materiales para la electrónica. Cada virus actúa como una plantilla, atrayendo cristales semiconductores que se alinean con las proteínas que recubren el virus. Esa innovadora prueba de concepto sentó las bases de todo el trabajo de ingeniería que ha realizado desde entonces.

Con el método de Belcher, los investigadores de laboratorio exponen alrededor de mil millones de variantes de virus a un material como un metal o un semiconductor, identificando y aislando las proteínas que mejor se adhieren a él. Los virus que los producen se colocan luego en una solución que contiene bacterias. Infectan a las bacterias, que producen millones de copias del virus y su secuencia particular de ADN. Finalmente, se introducen en una solución que contiene el material de interés. Un virus que se une fuertemente al oro, por ejemplo, se coloca en una solución que contiene iones de oro. El oro cristalizará a lo largo de la superficie del virus, adaptándose a la forma de la proteína en su capa.

Mediante la ingeniería genética, los científicos modifican la secuencia de ADN del virus para controlar aún más cómo se une. Pueden obligarlo a ensamblar múltiples materiales, como oro y platino, o pueden controlar la forma de las estructuras que generará un virus eligiendo si las partículas se unen a lo largo de sus lados o en su punta. A medida que los virus se replican, pueden reunir cantidades significativas de un material deseado. Los investigadores también pueden orientar la formación de materiales cambiando las condiciones de crecimiento, como la concentración del virus en una solución. Dependiendo de lo que se necesite, pueden formar estructuras orientadas al azar o una arquitectura más ordenada y repetible.

El proceso se basa en agua y permite a los científicos fabricar materiales en condiciones ambientalmente benignas, a temperatura ambiente y bajo presión normal. Esa es una gran ventaja sobre las técnicas tradicionales de fabricación de semiconductores o circuitos electrónicos, que pueden requerir maquinaria compleja, materiales tóxicos y altas temperaturas.

Una colaboración con los profesores Yet-Ming Chiang y Paula Hammond produjo un material de ánodo desarrollado por virus en 2006.

Disney para científicos
Cuando Belcher estaba en la Universidad de Texas, su investigación pionera en el crecimiento viral de materiales inorgánicos atrajo mucha atención dentro del mundo académico. Reclutada por varios lugares, hizo algunos viajes al MIT, al que llama Disneyland para científicos e ingenieros, y se dio cuenta de que encajaba perfectamente. En cada reunión a la que iba con los profesores, podía ver la conexión con su trabajo y la gente estaba tan entusiasmada con su investigación, dice. Y no es como si lo estuvieran manteniendo cerca de ellos mismos, están colaborando en todo el campus. La tabla periódica que le dio al presidente Obama, una de las tarjetas que había impreso para entregar a los estudiantes de primer año, incluye un eslogan que captura cómo se sintió al llegar al Instituto: Bienvenida al MIT. Ahora estás en tu elemento.

Una de las primeras asociaciones que Belcher formó en el MIT fue con la profesora de ingeniería química Paula Hammond ’84, PhD ’93. Después de hablar sobre su investigación, decidieron trabajar en un proyecto para hacer sensores que detecten agentes biológicos. Quería comprender qué tipo de ciencia se desarrollaba a su alrededor y a qué tipo de desarrollos podía contribuir, dice Hammond. Realmente estaba construyendo su comunidad colaborativa.

Mientras tanto, Belcher estaba mejorando la ciencia básica de su kit de herramientas de virus y expandiendo su paleta de materiales. En experimentos, su laboratorio estaba trabajando a través de la tabla periódica y viendo en qué eramos buenos, dice. El éxito con los metales y los óxidos metálicos condujo a una colaboración en la investigación de baterías con Hammond y Yet-Ming Chiang ’80, ScD ’85, un científico de materiales que cofundó la empresa de baterías A123 Systems. En 2006, los tres fueron coautores de un papel en Ciencias que describe un método de crecimiento viral para fabricar nanocables de óxido de cobalto, un material de ánodo para una batería recargable de iones de litio, sobre películas poliméricas flexibles.

Si bien eso fue impresionante, habían creado solo la mitad de una batería, que necesita tanto un ánodo como un cátodo. Belcher luego formó un equipo de ensueño que incluía a los profesores Gerbrand Ceder y Michael Stano. Diseñaron un virus para que creciera fosfato de hierro a lo largo de su superficie, formando nanocables que sirvieran como material catódico.

Luego, el grupo fue un paso más allá, en busca de una batería que pudiera usarse para automóviles. Construir un cátodo para una batería de descarga rápida es más difícil que construir un ánodo porque dichos electrodos deben ser altamente conductores, pero los materiales seguros y de bajo costo que el equipo de Belcher estaba explorando para los cátodos son más aislantes y no se conducen bien. Para abordar esto, el grupo de Belcher diseñó un gen que obligó al virus a adherirse a los nanotubos de carbono. Mientras que el fosfato de hierro se ensambla a lo largo de los lados largos de la forma de lápiz del virus, los nanotubos se adhieren a su punta, creando una red de contactos eléctricos que ayudan al flujo de electrones y mejoran la energía de la batería.

Ese fue el trabajo que condujo a la innovadora Ciencias documento de 2009, en el que los investigadores describieron cómo construyeron un prototipo que coincidía con la potencia y la capacidad energética de las mejores baterías en ese momento. Debido a que los electrodos podrían ensamblarse sobre películas de polímero, que actúan como electrolito, la tecnología podría dar lugar a baterías delgadas y flexibles o que tomen la forma de su contenedor. Susan Hockfield, entonces presidenta del MIT, hizo una demostración del prototipo, que enciende una pequeña bombilla LED, en una conferencia de prensa en Washington con el presidente Obama sobre la importancia de los fondos federales para la investigación energética.

Siempre intensamente centrado en la investigación que podría tener un impacto amplio, Belcher también intercambió ideas con Hammond sobre cómo podrían mejorar la energía solar. Eligieron células solares sensibilizadas con colorante, en las que la capa activa está hecha de dióxido de titanio recubierto de colorante. Aunque estas celdas son económicas, no convierten la luz en electricidad con la eficiencia suficiente para su uso en tejados o en aplicaciones a gran escala. Pero el trabajo para lograr que los virus incorporen nanotubos de carbono en los cátodos de la batería proporcionó un camino para lograr un gran salto en la eficiencia.

En 2011, el laboratorio de Belcher diseñó un virus que ensambla nanotubos de carbono a lo largo de su longitud de manera ordenada. Luego, el virus desarrolla una capa externa de dióxido de titanio alrededor de los nanotubos. Al igual que en el trabajo de la batería, los nanotubos crean pequeños cables para la corriente eléctrica en la celda solar. Agregar el material creado por virus a la celda aumenta la eficiencia en más del 30 por ciento. Su laboratorio también ha comenzado un proyecto para probar lo mismo con células solares hechas de silicio, el material dominante en la industria. Así es como lo abordamos: ¿hay alguna forma de aplicar la biología de una manera nueva? ella dice.

Ramificarse
Mientras Belcher acumulaba logros en energía, sus colegas del MIT, incluido el pionero de la administración de fármacos Robert Langer, la alentaron a aplicar su experiencia en nanociencia al cáncer. Al principio, se mostró reacia y un poco intimidada. Más familiarizada con los electrodos de batería que con las células cancerosas, no estaba segura de qué contribución podía hacer. Pero finalmente se dedicó a ello, asistió a tutoriales sobre el cáncer con colegas y volvió a colaborar con otros investigadores, incluida la profesora del MIT Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97. Tuvimos que aprender todo desde cero, dice Belcher sobre el trabajo de su laboratorio contra el cáncer. Nunca podríamos haberlo investigado por nuestra cuenta.

Ahora ella y Bhatia están trabajando en una sonda quirúrgica para localizar tumores muy pequeños. Un método que están desarrollando sus laboratorios utiliza un virus diseñado para unirse a las células cancerosas y a los nanotubos de carbono. Un líquido que contiene virus que ya están unidos a nanotubos se inyecta en el torrente sanguíneo o en la cavidad abdominal para buscar tumores. Cuando los virus se adhieren a un tumor, los nanotubos brillan bajo luz infrarroja, lo que permite a los médicos ver el tumor con una cámara especializada. Con los métodos actuales, a menudo es un desafío obtener imágenes de tumores de ovario de menos de un centímetro de diámetro sin cirugía. Pero este sistema ha aislado tumores de un milímetro de diámetro en pruebas con animales. Aún experimental, la técnica podría ser más útil para identificar tumores que son difíciles de encontrar y para los cuales la detección temprana puede ser más útil, como los tumores de ovario y páncreas, dice ella. El equipo de Belcher también está explorando formas de administrar medicamentos utilizando virus diseñados para adherirse a las células cancerosas.

Mezclarlo
El conjunto de herramientas genéticas de Belcher ha demostrado ser versátil, pero la gran ciencia no explica completamente su capacidad para trabajar en tantos campos. En su laboratorio, crea un entorno en el que expertos de diferentes disciplinas (químicos, biólogos moleculares, físicos e ingenieros mecánicos) abordan los problemas de formas únicas. Lee de Berkeley, por ejemplo, se unió al laboratorio de Belcher con experiencia en química de polímeros, pero dice que al trabajar con otros en el laboratorio, aprendió suficiente ciencia de materiales y bioingeniería para investigar semiconductores construidos por virus. Tiene una habilidad bastante asombrosa para elegir un gran conjunto de personas para su laboratorio en los límites de muchas disciplinas diferentes donde normalmente se lleva a cabo una gran cantidad de ciencia interesante, dice Eric Krauland, PhD '07, director de descubrimiento y optimización de anticuerpos. en la empresa de biotecnología Adimab y ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Belcher. Y no tiene miedo de contratar personas que sepan más que ella en un área en particular. Me están enseñando, dice ella. Es realmente una colaboración, acabo de conseguir la gran oficina.

A Belcher le gusta llamar al MIT un patio de recreo intelectual debido a las amplias oportunidades para compartir ideas sobre investigaciones de vanguardia. No lo impulsa el dinero ni el próximo periódico. Está impulsado por 'Vaya, veamos qué podemos hacer juntos', dice. Por eso es divertido, por eso no parece un trabajo en absoluto.

Si hay un hilo conductor en el trabajo de Belcher, es la creencia de que la tecnología y la ingeniería pueden ayudar a abordar los problemas sociales. En un discurso que pronunció cuando aceptó el premio Lemelson-MIT en julio, instó a los estudiantes de secundaria que habían ganado premios de la Fundación Lemelson para intentar hacer del mundo un lugar mejor. Con parte del dinero del premio, tiene la intención de expandir un programa de divulgación que ha utilizado para despertar el interés de los niños en edad escolar en la ciencia a través de la experimentación práctica. Visita escuelas y museos para organizar charlas con estudiantes que van desde el jardín de infantes hasta la escuela secundaria, y los dirige en experimentos como aislar el ADN de sus mejillas. Belcher tiene buenos recuerdos de retoques, construcción de cosas en el garaje y, a pesar de ser disléxica, pasaba horas en la biblioteca leyendo libros sobre medicina cuando era una niña. Espera compartir esta pasión por la ciencia con sus hijos, que tienen siete y tres años.

Belcher comprende la importancia de comenzar temprano: ella misma se fascinó con los orígenes de la vida y el mundo microscópico cuando apenas estaba en la escuela primaria. Esa misma fascinación infantil, y el deseo de marcar la diferencia, sigue siendo lo que la impulsa hoy. Me encanta resolver problemas que son importantes para el planeta, dice. Todos los días me despierto sabiendo que algo interesante está sucediendo en el laboratorio.

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