Sure tegn på liv

Billedtekst:

Billedtekst: Da NASA’s Viking-landingsfartøjer tog billeder af Mars’ overflade, viste de et goldt land af sten og støv.

Billedkredit: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Denne måske-opdagelse udløste en debat, der fortsætter den dag i dag, hvor fortalerne insisterer på (og ny forskning tyder på), at kun noget levende kunne have lavet det positive signal.

Men ligesom mange i det videnskabelige samfund er Kate Craft, der er planetarisk forsker ved Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, fortsat skeptisk. “Det var et godt eksperiment, men det var meget begrænset i forhold til, hvad det var i stand til at opdage,” udtalte hun.

For det første antog Viking-eksperimenterne, at mikroberne på Mars ville spise de næringsstoffer, som vi gav dem, hvilket ikke nødvendigvis er sandt. Og selv hvis de gjorde det, er det stadig svært at tro på bare én række af beviser. “Vi ønsker altid at have positive resultater på flere signaturer,” sagde hun.

Mere problematisk er det dog, at forskerne på det tidspunkt ikke vidste, at Mars’ overflade er dækket af perchloratsalte, mineraler, der indeholder klor og ilt, som eksperimenter viser, at de kan ødelægge organiske molekyler og mikrober, når de opvarmes, hvilket producerer klorgasser, som Viking-landingsfartøjerne rent faktisk påviste. Ingen vidste, at saltene var der før 2008, da NASA’s Phoenix-landingsfartøj opdagede dem.

For Craft og hendes kollega Chris Bradburne, der er biolog og seniorforsker ved APL, understregede Viking-missionerne den uhyrlige udfordring, som forskerne står over for, når de definitivt skal sige, at vi har fundet liv på en anden verden. Typen, sikkerheden og gentageligheden af disse beviser er alle vigtige. Siden Viking-landingsfartøjerne er adskillige rumfartøjer vendt tilbage til Mars og har søgt efter organiske molekyler, som for det meste indeholder kulstof, brint og ilt. De forbindes almindeligvis med liv, men er ikke sikre indikatorer for liv.

Men afsløringen om salte på Mars fremhævede en mere fremtrædende, om end noget uinspirerende, pointe: Chancerne for at opdage tegn på liv med selv den bedste teknologi er sandsynligvis små, hvis man ikke renser sine prøver først.

Forskere har fokuseret 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 analysen vanskelig, og de primære mål for fremtidige missioner til påvisning af liv er steder med saltholdige oceaner af flydende vand under deres overflader – verdener som Jupiters måne Europa og Saturns måne Enceladus.

Siden 2013 har Bradburne, Craft og et hold forskere ved APL udviklet nye mikrofluidiske systemer i håndfladestørrelse til fremtidige rumfartøjer for at løse denne udfordring. De kan rense og isolere molekyler, der kunne være stærke indikatorer for 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 detektere det, du er ude efter, er de ikke til nogen nytte.”

Men holdet er ved at skubbe et af deres instrumenter endnu længere: en sekvenseringsmaskine til rummet. Den ville ikke blot forberede og koncentrere langkædede molekyler som DNA og RNA, men pumpe hele deres genetiske kode ud lige på destinationen. Desuden ville den registrere disse molekyler, uanset om de ligner jordisk DNA og RNA eller ej, hvilket giver mulighed for at opdage liv med en helt anden oprindelse.

“Det kunne give dig et virkelig afgørende signal,” sagde Bradburne. Man skal bare finde ud af, hvordan man bygger den.

Rensemaskinerne

Craft og Bradburne havde overvejet at skabe en prøveforberedelseschip til DNA og RNA tilbage i 2014, idet de byggede videre på det arbejde, som Bradburne påbegyndte et par år tidligere.

Med hensyn til livsindikatorer står DNA og RNA relativt højt på listen, da de begge udgør den rygrad, som alt liv på Jorden har udviklet sig fra. 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 kunne videregive information mellem generationer, argumenterede de, skulle organismer allerede have udviklet sig i et vist omfang; en ret usandsynlig mulighed, sagde Craft. Som sådan betragtede mange forskere DNA og RNA som mindre vigtige biosignaturer og prioriterede i stedet livets andre byggesten, såsom aminosyrer – bestanddelene i alle proteiner og enzymer. “Livet behøver ikke at være “lige så udviklet” for disse signaturer”, forklarede Craft.

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

Med en bredde på ca. 4 tommer, en længde på 4 tommer og en højde på 2 tommer kan systemet nemt ligge i håndfladen. Alligevel er det udstyret med alle de pumper og ventiler, der er nødvendige for at skubbe en prøve igennem. Det aktive område i det nyeste design er fyldt med bittesmå perler, der tiltrækker aminosyrer i sure opløsninger, mens salte og andet snavs fortsat strømmer ud på den anden side i et affaldsdepot. Når prøven passerer igennem, fjernes aminosyrerne fra perlerne med en basisk opløsning og sendes til den detektor, der er fastgjort til chippen.

Det har ikke været let at designe et prep-system til rummet, sagde Ohiri. Mængden af tilgængelig strøm er brøkdele af, hvad der kan bruges i laboratoriet, og materialerne skal kunne modstå potentielt ekstreme temperaturer og stråling. Holdet fremstiller i øjeblikket aminosyreoprensningssystemet af almindelige materialer til hurtig prototypefremstilling, såsom højopløsningsharpikser, der anvendes i 3D-printing, men det er fortsat en udfordring at få materialet til at være rumegnet, samtidig med at dets ydeevne opretholdes, sagde Ohiri. “Men det er det, der er så spændende ved dette projekt: Der er så mange aspekter, der virkelig er på forkant.”

Billedtekst: Hvordan man isolerer og sekvenserer DNA i rummet: Start med en opløsningsfase, hvor man bruger lyd eller andre bølger til at pulse magnetisk tiltrækkende perler, så de bryder sporer eller celler op og lukker DNA’et ud. DNA’et sætter sig fast på perlerne, som derefter trækkes mod en magnet under rensningsfasen. Perlerne vaskes derefter for at fjerne DNA’et, som derefter sendes til en nanoporesequencer. Sekvenseringsmaskinen aflæser derefter den kæde af molekyler, der udgør DNA-C, A, T og G. Denne opsætning skulle teoretisk set kunne fungere for ethvert langkædet molekyle som DNA, herunder RNA, proteiner eller noget helt nyt.

Billedkredit: Johns Hopkins APL

Den ulempe ved aminosyrer er dog, at de findes overalt – fra meteoritter til kometer til interstellare skyer. Visse ledetråde kan indikere, om de er biologiske eller ej. Aminosyrer findes i to former, der er spejlbilleder af hinanden: den ene betragtes som venstrehåndet, den anden som højrehåndet. Ved en tilfældighed i evolutionen bruger alt liv på Jorden kun de venstrehåndede aminosyrer. Så hvis den ene type forekommer mere end den anden i en prøve fra en anden verden, kan det i forlængelse heraf være et tegn på liv.

Bradburne tror dog ikke helt på det. “Hvordan ved man, at det ikke bare er forurening?” spurgte han, f.eks. fra en medrejsende mikrobe, der på en eller anden måde er undsluppet den dybe rengøringsproces, som alle rumfartøjer gennemgår før opsendelse. At påvise liv i universet, siger han, handler ikke kun om at påvise de molekyler, man leder efter, men også om at minimere risikoen for at få et falsk positivt resultat og sørge for, at eksperimenterne kan gentages.

DNA og RNA er ikke nødvendigvis bedre til at løse disse problemer, medmindre man kan sekventere dem. Og derfor så holdet en ny mulighed, da nanoporesequencere blev opfundet.

Vejsen til sekventering

Nanoporesequencere er små maskiner på størrelse med et tommelfingerdrev, der kan tage en DNA- eller RNA-streng og aflæse den række af molekylære byggesten, som den er lavet af. Strengen bevæger sig gennem en pore, der kun er milliardedele af en tomme bred, og som har et elektrisk felt, der går igennem den. Hvert nukleotid forstyrrer på en unik måde dette elektriske felt, når det bevæger sig gennem porerne. Og en computer kan fortolke denne forstyrrelse og sige præcis, hvilket nukleotid der lige er passeret igennem.

Bortset fra at være den ideelle størrelse til et rumfartøj, sagde Bradburne, burde nanopore-seksekventorer i teorien være i stand til at fortolke enhver type langkædet molekyle, der kommer igennem – DNA, RNA, proteiner eller noget ukendt XNA. Men de mindsker også chancerne for, at et signal ikke bare er en blind passager-mikrobe. Jordstammede organismer har genkendelige strenge, f.eks. dem, der koder for specifikke enzymer og andre proteiner, der er fælles for levende væsener på Jorden. Så hvis sekvenser ser ud til at matche dem, der ofte findes her på Jorden, er de sandsynligvis falsk positive.

“Det videnskabelige udbytte ville bare være fantastisk,” sagde Bradburne.

Der er dog en lang række grunde til, at de nuværende nanopore-sekventeringsmaskiner ikke er klar til rummet. For det første er de lavet af materialer, der ikke kan tåle årelange temperaturer under frysepunktet og stråling; selv på Jorden holder de kun omkring seks måneder. Endnu mere problematisk er det, at de bruger proteiner fra stafylokokbakterier til porerne, hvilket giver anledning til bekymring for, at man ved et uheld kan indføre biologiske produkter fra Jorden.

Disse udfordringer har tvunget holdet til i stedet at begynde at udvikle en ny sekvenseringsmaskine og et tilhørende prøveforberedelsessystem.

“Ideen er, at vi til sidst vil have et komplet instrument til at forberede prøven på den måde, vi ønsker det, og derefter analysere den,” sagde Craft.

Proveforberedelseskomponenten har gjort betydelige fremskridt i løbet af det sidste år. Holdet prøver lydbølger og andre forstyrrende metoder til at bryde celler og sporer op, der kan rumme det genetiske materiale, og magnetiske perler til derefter at holde fast i de langkædede molekyler.

Men udformningen af nanopore-sekventeren har været en større udfordring. En syntetisk platform med nanoporer presset ind i den er det 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 stadig usikkert. En canadisk samarbejdspartner foreslog endda at lave porerne, når de når frem til destinationen, for at mindske problemerne med holdbarheden. “Jeg er ikke sikker på, hvordan vi ville gøre det, men intet er udelukket fra bordet lige nu,” sagde Bradburne.

Trods forhindringerne har holdet ikke spildt nogen tid på at tale om deres værktøj med forskere, der udvikler konceptmissioner. “Vi taler om det, når vi kan,” sagde Craft, mest for at lade folk vide, at det er et kommende, levedygtigt instrument.

Og et af de seneste koncepter, en mission til Saturns måne Enceladus, omfatter noget, der minder meget om det.

En anden søgen efter liv

Med en bredde på 314 miles – omtrent lige så bred som Pennsylvania – og i gennemsnit ni gange længere væk fra Solen end Jorden burde Enceladus blot have været en frossen iskugle.

Men i 2006 afslørede NASA’s Cassini-mission en fristende opdagelse: en pære af vanddamp og is, der spyttede ud fra fire huleformede “tigerstriber” ved Enceladus’ sydpol. Forskellige målinger tyder på, at fejlene har direkte forbindelse til et globalt flydende vandhav under overfladen. Havet kan interagere med månens klippekerne på en måde, der ligner Jordens hydrotermiske dybhavsskorstene, hvor næsten 600 dyrearter lever og trives.

Billedkredit: Johns Hopkins APL

Da Cassini passerede gennem pustene, fandt den molekyler som metan, kuldioxid og ammoniak – formodede kemiske fragmenter af mere komplekse molekyler med fire af de seks grundstoffer, der er nøglen til liv: kulstof, brint, kvælstof og ilt.

“Enceladus er en havverden, hvor vi har data nok til at gå videre end at spørge, om den er beboelig,” siger Shannon MacKenzie, der er planetarisk videnskabsmand ved APL. “På Enceladus er vi 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 dette. Den kaldes Enceladus Orbilander, og den ville fungere præcis, som det lyder: halvt orbiter, halvt landmand. Seks instrumenter skal foretage målinger af materiale, der er indsamlet fra Enceladus’ plym, for at finde flere potentielle biosignaturer – venstre- og højrehåndede aminosyrer, fedtstoffer og andre langkædede kulbrinter, molekyler, der kan lagre genetisk information, og endda celleagtige strukturer.

Som et missionskoncept identificerer Orbilander-undersøgelsen ikke specifikke instrumentimplementeringer som dem, Craft og Bradburnes hold producerer, men den omfatter deres konceptuelle idéer.

“Der vil altid være en vis usikkerhed ved målinger i forbindelse med søgning efter liv,” sagde MacKenzie. “Derfor er det så vigtigt at have et godt prøveforberedelsestrin, som hjælper med at minimere detektionsgrænsen, og derfor er det så vigtigt at have instrumenter som nanopore-sequenceren, som kan tilbyde både identifikation og karakterisering, så kritisk.”

Med chancen for at udtage prøver fra en oceanisk måne forsøger Craft og Bradburnes hold at finde ud af, hvor meget vand der skal til for at opdage disse biosignaturer. Og det er selvfølgelig ikke let. “Jeg troede, at vi kunne tage til disse havverdener, dyppe tæerne i dem og være i stand til at se, om der er liv der eller ej,” sagde Craft. Men efterhånden som hun har læst oceanografers forskning, har hun erfaret, at de er nødt til at filtrere litervis af vand for at lede efter tegn på liv – selv her på Jorden. “Det er bare utroligt. På grund af alt det vand derude er det så fortyndet,” sagde hun.

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

“Der er bare en masse udfordringer, der endnu ikke er blevet løst”, sagde Craft. Holdet fortsætter dog med at arbejde videre. I sidste måned udførte de nogle eksperimenter, hvor de skyllede forskellige mængder fortyndede aminosyreprøver, der var spiket i havvand, gennem deres prøvechip. De første resultater er lovende, idet systemet opfanger alle aminosyrer med en række effektivitetsgrader, som vil blive rapporteret i en kommende videnskabelig artikel.

Hvis Enceladus Orbilander nogensinde flyttes fra koncept til affyringsrampe, vil den ikke lette før midten af 2030’erne, hvilket giver Craft og Bradburnes hold noget tid til at videreudvikle sine værktøjer. Men selv om teknologien ikke er klar til den mission, er Ohiri ligesom andre på holdet fortsat optimistisk med hensyn til, at teknologien en dag vil flyve.

“Mit håb er, at når teknologien er moden nok, vil der være en mission på programmet, og vi vil være klar til den,” sagde hun.