Sikrere livstegn:En bedre klasse af værktøjer til at opdage tegn på liv på andre planeter og måner

Da de nåede Mars' overflade i 1976, NASAs to vikingelandere landede med et blidt tøs. 7 fod høj, 10 fod lang, og vejer omkring 1, 300 pund, disse rumfartøjer - den første amerikanske mission, der med succes landede på Mars-overfladen - lignede forvoksede piller.

Det, der lå foran dem, var en rusten, støvet ødemark fyldt med sten under en tan-orange himmel, langt væk fra de travle alien-metropoler, science fiction-forfattere og film havde afbildet. Forskere forventede aldrig fremmede byer, men de havde en mistanke om, at kolonier af mikrobielle rumvæsener måske lurer i Mars-jorden. Landerne var de første til at søge efter udenjordisk liv.

Begge landere var udstyret med tre automatiske livsdetektionsinstrumenter, som hver inkuberede en prøve fra overfladen, studere luften ovenover for molekyler som kuldioxid, hvilket kunne indikere fotosyntese, eller metan, som mikrober kan producere, når de metaboliserer næringsstoffer, som landerne gav.

Et af instrumenterne fik et positivt signal. Det mærkede udgivelseseksperiment, sporing af radioaktivt kulstof, da det flyttede fra fordøjeligt sukker til fordøjet kuldioxid, så det afslørende tegn på at leve, metaboliserende mikrober.

De to andre eksperimenter, imidlertid, aldrig gjorde.

Den mulige opdagelse udløste en debat, der fortsætter selv i dag, med tilhængere, der insisterer på (og ny forskning tyder på), at kun noget levende kunne have givet det positive signal.

Men ligesom mange i det videnskabelige samfund, Kate Craft, en planetarisk videnskabsmand ved Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, forbliver skeptisk. "Det var et godt eksperiment, men det var meget begrænset i, hvad det var i stand til at opdage, " sagde hun.

For en, Vikingeeksperimenterne antog, at mikrober på Mars ville spise de næringsstoffer, vi gav dem, hvilket ikke nødvendigvis er sandt. Og selvom de gjorde det, det er stadig svært at tro på kun én linje af beviser. "Vi ønsker altid at have positive sider ved flere underskrifter, " hun sagde.

Mere problematisk, selvom, er, at videnskabsmænd på det tidspunkt ikke vidste, at Mars' overflade er dækket af perkloratsalte, mineraler, der indeholder klor og oxygen, som eksperimenter viser, kan ødelægge organiske molekyler og mikrober, når de opvarmes - hvilket producerer klorgasser, som vikingelanderne faktisk opdagede. Ingen vidste, at saltene var der før 2008, da NASAs Phoenix-lander opdagede dem.

Til Craft og hendes kollega Chris Bradburne, en biolog og seniorforsker ved APL, Vikingemissionerne understregede den monstrøse udfordring, videnskabsmænd står over for, for definitivt at sige, at vi har fundet liv i en anden verden. typen, kaution, og repeterbarheden af ​​disse beviser betyder alt. Talrige rumfartøjer siden vikingelanderne er vendt tilbage til Mars, søger efter organiske molekyler, som hovedsageligt indeholder kulstof, brint, og oxygen. De er almindeligvis forbundet med livet, men ikke sikre indikatorer for det.

Men åbenbaringen om salte på Mars fremhævede en mere fremtrædende, omend noget uinspirerende, point:Chancerne for at opdage tegn på liv med selv den bedste teknologi er sandsynligvis ringe, hvis du ikke renser dine prøver først.

Forskere har fikseret på detektionssiden af ​​ligningen, men prøveforberedelsen - et tidligere trin i arbejdsgangen - er for det meste blevet ignoreret. Salte er særligt bekymrende, da de kan gøre analyser vanskelige, og de primære mål for fremtidige livsdetektionsmissioner er steder med salt, flydende vandhave under deres overflader - verdener som Jupiters måne Europa og Saturns måne Enceladus.

Siden 2013 har Bradburne, Håndværk, og et team af forskere ved APL har udviklet nye, mikrofluidsystemer på størrelse med håndfladen til fremtidige rumfartøjer til at løse denne udfordring. De kan rense og isolere molekyler, der kan være stærke indikatorer på liv - aminosyrer, proteiner, RNA, DNA.

"Det er meget mere sexet at tænke på detektoren, " sagde Bradburne. "Men hvis du ikke kan forberede dine prøver og optimere dem, så din sensor kan registrere, hvad du leder efter, de gør dig ikke noget godt."

Men holdet skubber et af deres instrumenter endnu længere:en sequencer til rummet. Det ville ikke kun forberede og koncentrere langkædede molekyler som DNA og RNA, men pumpe hele deres genetiske kode ud lige ved destinationen. Derudover det ville detektere disse molekyler, uanset om de er som jordbaseret DNA og RNA eller ej, giver mulighed for at opdage liv med en helt separat oprindelse.

"Det kunne give dig et virkelig afgørende signal, " sagde Bradburne. Du skal bare finde ud af, hvordan du bygger det.

Rengøringsmaskinerne

Craft og Bradburne havde overvejet at lave en prøveforberedelseschip til DNA og RNA tilbage i 2014, bygge på arbejde, som Bradburne startede et par år tidligere.

Hvad angår livsindikatorer, DNA og RNA står relativt højt på listen, da begge udgør rygraden, hvorfra alt jordisk liv har udviklet sig. Men det er netop af den grund, at mange forskere var skeptiske over for at søge efter DNA og RNA andre steder i solsystemet.

For at genetisk materiale skal videregive information mellem generationer, de argumenterede, organismer ville allerede have været nødt til at udvikle sig til en vis grad; en ret usandsynlig mulighed, sagde Craft. Som sådan, mange videnskabsmænd betragtede DNA og RNA som mindre vigtige biosignaturer og prioriterede i stedet livets andre byggesten, såsom aminosyrer - bestanddelene af alle proteiner og enzymer. "Livet behøver ikke at være 'som udviklet' for disse signaturer, " Craft forklarede.

Så, holdet skiftede gear for at lave et miniature prøveforberedelsessystem til aminosyrer. APL kemiker Jen Skerritt, kemiingeniør Tess Van Volkenburg, og senere Korine Ohiri, ekspert i mikrofluidik, sluttede sig til holdet. Siden 2018, de har gradvist perfektioneret designet.

Med en bredde på omkring 4 tommer, 4 tommer lang, og 2 tommer høj, systemet kan nemt passe i din håndflade. Alligevel er den udstyret med alle de pumper og ventiler, der er nødvendige for at skubbe en prøve igennem. Den aktive region i det seneste design er fyldt med små perler, der tiltrækker aminosyrer i sure opløsninger, mens salte og andet snavs fortsætter med at flyde ud på den anden side til en affaldsdepot. Efter prøven er passeret igennem, aminosyrerne fjernes fra perlerne med en basisk opløsning og sendes til den detektor, der er knyttet til chippen.

At designe et forberedelsessystem til rummet har ikke været let, sagde Ohiri. Mængden af ​​tilgængelig strøm er brøkdele af, hvad der kan bruges i laboratoriet, og materialerne skal modstå potentielt ekstreme temperaturer og stråling. Holdet laver i øjeblikket aminosyrerensningssystemet fra almindelige hurtige prototyping-materialer, såsom højopløsningsharpikser brugt til 3-D-print, men at få materialet til at være pladsværdigt og samtidig bevare dets ydeevne, Ohiri sagde, forbliver udfordrende. "Men det er det, der er så spændende ved dette projekt:Der er så mange aspekter, der virkelig er på forkant."

Afvejningen med aminosyrer, selvom, er, at de er overalt - fra meteoritter til kometer til interstellare skyer. Visse spor kan indikere, om de er biologiske eller ej. Aminosyrer kommer i to former, der er spejlbilleder af hinanden:den ene betragtes som venstrehåndet, den anden højrehåndet. Gennem et eller andet evolutionstreg, alt liv på Jorden bruger kun de venstrehåndede aminosyrer. Så i forlængelse heraf, hvis den ene type optræder mere end den anden i en prøve fra en anden verden, det kunne være et tegn på liv.

Bradburne, imidlertid, køber det ikke helt. "Hvordan ved du, at det ikke kun er forurening?" spurgte han, såsom fra en blaffermikrobe, der på en eller anden måde undslap den dybe renseproces, som alle rumfartøjer gennemgår før opsendelsen. Opdager liv i universet, han siger, handler om ikke kun at opdage de molekyler, du leder efter, men minimerer chancerne for at få en falsk positiv og sikrer, at dine eksperimenter kan gentages.

DNA og RNA er ikke nødvendigvis bedre til at løse disse problemer, medmindre du kan sekvensere dem. Og det er derfor, da nanopore sequencere blev opfundet, holdet så en ny mulighed.

Vejen til sekvensering

Nanopore sequencere er små, maskiner på størrelse med tommelfingerdrev, der kan tage en streng af DNA eller RNA og udlæse rækken af ​​molekylære byggesten, som den er lavet af. Tråden bevæger sig gennem en pore, der kun er milliardtedele af en tomme bred, og som har et elektrisk felt, der passerer gennem sig. Hvert nukleotid forstyrrer unikt det elektriske felt, når det bevæger sig gennem poren. Og en computer kan fortolke den forstyrrelse og sige præcis, hvilket nukleotid der lige er passeret igennem.

Udover at være den ideelle størrelse til et rumfartøj, Bradburne sagde, nanopore sequencere bør, i teorien, være i stand til at fortolke enhver type langkædet molekyle, der kommer igennem - DNA, RNA, proteiner, eller en ukendt XNA. Men de formindsker også chancerne for, at et signal ikke kun er en blindpassager-mikrobe. Jordstammede organismer har genkendelige tråde, såsom dem, der koder for specifikke enzymer og andre proteiner, der er fælles for levende ting på Jorden. Så hvis sekvenser ser ud til at matche dem, der ofte findes her på Jorden, de er sandsynligvis en falsk positiv.

"De videnskabelige resultater ville bare være fantastiske, " sagde Bradburne.

Der er en række grunde, selvom, hvorfor nuværende nanopore-sequencers ikke er klar til plads. For en, de er lavet af materialer, der ikke kan modstå årevis med frostgrader og stråling; selv på jorden, de varer kun omkring seks måneder. Endnu mere problematisk er, at de bruger proteiner fra staph-bakterier til porerne, vækker bekymring over utilsigtet introduktion af biologiske produkter fra Jorden.

Disse udfordringer har tvunget holdet til i stedet at begynde at udvikle en ny sequencer og medfølgende prøveforberedelsessystem.

"Ideen er, at til sidst, vi har et komplet instrument til at forberede prøven, som vi vil have den og derefter analysere den, " sagde Craft.

Prøveforberedelseskomponenten har gjort betydelige fremskridt i løbet af det sidste år. Holdet prøver lydbølger og andre forstyrrende metoder til at bryde åbne celler og sporer, der kan huse det genetiske materiale og magnetiske perler for derefter at holde på de langkædede molekyler.

Men at designe nanopore-sequenceren har været mere udfordrende. En syntetisk platform med nanoporer presset ind i den er den mest ideelle, men hvordan man kontrollerer porernes størrelse og laver dem, så de bremser molekylet, så computeren kan registrere hvert molekyle i kæden, når det passerer igennem, er fortsat usikkert. En canadisk samarbejdspartner foreslog endda at lave porerne, når de når destinationen for at afbøde problemer med holdbarheden. "Jeg er ikke sikker på, hvordan vi ville gøre det, men intet er af bordet lige nu, " sagde Bradburne.

På trods af forhindringer, holdet har ikke spildt tid på at tale om deres værktøj med forskere, der udvikler konceptmissioner. "Vi taler om det, når vi kan, " Craft sagde, mest for at lade folk vide, at det er en kommende, levedygtigt instrument.

Og et nyt koncept, en mission til Saturns måne Enceladus, indeholder noget, der ligner den meget.

Endnu en søgen efter livet

Ved 314 miles bred - omkring bredden af ​​Pennsylvania - og i gennemsnit ni gange længere fra Solen end Jorden, Enceladus skulle bare have været en frossen iskugle.

Men i 2006 NASA's Cassini-mission afslørede en fristende opdagelse:en sky af vanddamp og is, der spyr ud fra fire hule "tigerstriber" ved Enceladus' sydpol. Forskellige målinger indikerer, at fejlene er direkte forbundet med et globalt flydende vandhav under overfladen. Havet interagerer muligvis med månens stenede kerne på en måde, der ligner Jordens hydrotermiske dybhavsåbninger, hvor næsten 600 dyrearter lever og trives.

Da Cassini passerede gennem fanerne, den fandt molekyler som metan, carbondioxid, og ammoniak - formodede kemiske fragmenter af mere komplekse molekyler med fire af de seks elementer, der er nøglen til liv:kulstof, brint, nitrogen og ilt.

"Enceladus er en havverden, hvor vi har nok data til at gå ud over at spørge, om det er beboeligt, " sagde Shannon MacKenzie, en planetforsker ved APL. "På Enceladus, vi er klar til at tage det næste skridt og søge efter tegn på liv."

MacKenzie ledede for nylig udviklingen af ​​et missionskoncept, der ville gøre netop det. Den hedder Enceladus Orbilander, og det ville fungere præcis som det lyder:delvist kredsløb, del-lander. Seks instrumenter ville udføre målinger på materiale indsamlet fra Enceladus' fane for at søge efter flere potentielle biosignaturer - venstre- og højrehåndede aminosyrer, fedtstoffer og andre langkædede kulbrinter, molekyler, der er i stand til at lagre genetisk information, og endda cellelignende strukturer.

Som et missionskoncept, Orbilander-undersøgelsen identificerer ikke specifikke instrumentimplementeringer som dem, Craft og Bradburnes team producerer, men det inkluderer deres konceptuelle ideer.

"Der vil altid være en vis grad af usikkerhed i målinger af søgen efter livet, " sagde MacKenzie. "Det er derfor at have et godt prøveforberedelsestrin, som hjælper med at minimere grænsen for detektion, er så vigtigt, og hvorfor have instrumenter som nanopore sequencer, som kan tilbyde både identifikation og karakterisering, er så kritiske."

Med chancen for at prøve en havmåne, Craft og Bradburnes team forsøger at bestemme, hvor meget vand der skal til for at opdage disse biosignaturer. Og selvfølgelig, det er ikke nemt. "Jeg troede, at vi kunne tage til disse havverdener, dyppe vores tæer i, og være i stand til at se, om livet er der eller ej, " sagde Craft. Men mens hun har læst forskning fra oceanografer, hun har erfaret, at de skal filtrere liter vand for at lede efter beviser på liv - selv her på Jorden. "Det er bare fantastisk. På grund af alt det vand derude, det er så fortyndet, " hun sagde.

Hvordan samler man så store mængder vand og koncentrerer dem om en anden verden? Hvordan behandler man dem i en mikrochip og ser, om der er nogle vigtige molekyler der?

"Der er bare en masse udfordringer, som ikke er blevet løst endnu, " sagde Craft. Holdet bliver ved med at stoppe, selvom. Sidste måned, de udførte nogle eksperimenter med at skylle forskellige mængder af fortyndede aminosyreprøver tilsat havvand gennem deres prøvechip. De første resultater er lovende, med systemet, der fanger alle aminosyrer med en række effektiviteter, som vil blive rapporteret i en kommende videnskabelig artikel.

Hvis nogensinde flyttet fra koncept til affyringsrampe, Enceladus Orbilander ville ikke løfte sig før midten af ​​2030'erne, at give Craft og Bradburnes team lidt tid til at videreudvikle deres værktøjer. Men selvom teknologien ikke er klar til den mission, Ohiri, ligesom andre på holdet, er fortsat optimistisk, at teknologien en dag vil flyve.

"Mit håb er, at når teknologien er moden nok, der vil være en mission på bøgerne, og vi er klar til det, " hun sagde.