Señales de vida más suaves

Por Jeremy Rehm

/ Publicado el 8 de diciembre de 2020

Ese posible descubrimiento desató un debate que persiste aún hoy, con los defensores insistiendo (y las nuevas investigaciones sugiriendo) que sólo algo vivo podría haber hecho esa señal positiva.

Pero al igual que muchos en la comunidad científica, Kate Craft, científica planetaria del Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins, sigue siendo escéptica. «Fue un buen experimento, pero fue muy limitado en cuanto a lo que pudo detectar», declaró.

Por un lado, los experimentos del Viking suponían que los microbios de Marte se comerían los nutrientes que les proporcionáramos, lo cual no es necesariamente cierto. E incluso si lo hicieran, sigue siendo difícil creer una sola línea de evidencia. «Siempre queremos tener resultados positivos en múltiples firmas», dijo.

Más problemático, sin embargo, es que los científicos de la época no sabían que la superficie de Marte está cubierta de sales de perclorato, minerales que contienen cloro y oxígeno y que, según los experimentos, pueden destruir las moléculas orgánicas y los microbios cuando se calientan, produciendo gases de cloro, que los módulos de aterrizaje Viking sí detectaron. Nadie sabía que las sales estaban allí hasta 2008, cuando el módulo de aterrizaje Phoenix de la NASA las descubrió.

Para Craft y su colega Chris Bradburne, biólogo y científico principal del APL, las misiones Viking subrayaron el monstruoso desafío al que se enfrentan los científicos para decir definitivamente que hemos encontrado vida en otro mundo. El tipo, la seguridad y la repetibilidad de esas pruebas son importantes. Desde las Viking, numerosas naves espaciales han regresado a Marte en busca de moléculas orgánicas, que contienen principalmente carbono, hidrógeno y oxígeno. Suelen asociarse con la vida, pero no son indicadores seguros de ella.

Pero la revelación sobre las sales en Marte puso de relieve un punto más destacado, aunque algo poco inspirador: Las posibilidades de detectar señales de vida, incluso con la mejor tecnología, son escasas si no se purifican primero las muestras.

Los investigadores se han centrado en la parte de la ecuación relativa a la detección, pero la preparación de las muestras -un paso previo en el flujo de trabajo- ha sido ignorada en su mayor parte. Las sales son especialmente preocupantes, ya que pueden dificultar el análisis, y los principales objetivos de las futuras misiones de detección de vida son lugares con océanos de agua líquida salada bajo sus superficies: mundos como la luna Europa de Júpiter y la luna Encélado de Saturno.

Desde 2013, Bradburne, Craft y un equipo de investigadores del APL han estado desarrollando nuevos sistemas de microfluidos del tamaño de la palma de la mano para futuras naves espaciales con el fin de hacer frente a ese desafío. Pueden purificar y aislar moléculas que podrían ser fuertes indicadores de vida: aminoácidos, proteínas, ARN, ADN.

«Es mucho más sexy pensar en el detector», dijo Bradburne. «Pero si no puedes preparar tus muestras y optimizarlas para que tu sensor pueda detectar lo que buscas, no te sirven de nada».

Pero el equipo está llevando uno de sus instrumentos aún más lejos: un secuenciador para el espacio. No sólo prepararía y concentraría moléculas de cadena larga como el ADN y el ARN, sino que bombearía todo su código genético justo en el destino. Además, detectaría estas moléculas tanto si son como el ADN y el ARN terrestres como si no, proporcionando la capacidad de detectar vida con un origen completamente distinto.

«Podría dar una señal realmente concluyente», dijo Bradburne. Solo hay que averiguar cómo construirlo.

Las máquinas de limpieza

Craft y Bradburne habían considerado crear un chip de preparación de muestras para el ADN y el ARN ya en 2014, basándose en el trabajo que Bradburne comenzó unos años antes.

En cuanto a los indicadores de vida, el ADN y el ARN ocupan un lugar relativamente alto en la lista, ya que ambos forman la columna vertebral a partir de la cual ha evolucionado toda la vida terrestre. Pero es precisamente por esa razón por la que muchos científicos se mostraron escépticos a la hora de buscar ADN y ARN en otros lugares del sistema solar.

Para que el material genético transmitiera información entre generaciones, argumentaban, los organismos tendrían que haber evolucionado ya en cierta medida; una posibilidad bastante improbable, decía Craft. Por ello, muchos científicos consideraban que el ADN y el ARN eran biofirmas menos importantes y, en su lugar, daban prioridad a otros bloques de construcción de la vida, como los aminoácidos -los componentes de todas las proteínas y enzimas-. «La vida no tendría que ser ‘tan evolucionada’ para esas firmas», explicó Craft.

Así que el equipo cambió de marcha para hacer un sistema de preparación de muestras en miniatura para los aminoácidos. La química del APL Jen Skerritt, la ingeniera química Tess Van Volkenburg y, más tarde, Korine Ohiri, experta en microfluidos, se unieron al equipo. Desde 2018, han ido perfeccionando poco a poco el diseño.

Con unas 4 pulgadas de ancho, 4 pulgadas de largo y 2 pulgadas de alto, el sistema puede caber fácilmente en la palma de la mano. Sin embargo, está equipado con todas las bombas y válvulas necesarias para hacer pasar una muestra. La región activa del último diseño está llena de pequeñas perlas que atraen a los aminoácidos en soluciones ácidas, mientras que las sales y otras impurezas siguen fluyendo por el otro lado hacia un depósito de residuos. Una vez que la muestra pasa, los aminoácidos se desprenden de las perlas con una solución básica y se envían a cualquier detector que esté conectado al chip.

Diseñar un sistema de preparación para el espacio no ha sido fácil, dijo Ohiri. La cantidad de energía disponible es una fracción de la que puede utilizarse en el laboratorio, y los materiales deben soportar temperaturas y radiaciones potencialmente extremas. El equipo está fabricando el sistema de purificación de aminoácidos a partir de materiales comunes de prototipado rápido, como las resinas de alta resolución utilizadas en la impresión 3D, pero conseguir que el material sea apto para el espacio manteniendo su rendimiento, dijo Ohiri, sigue siendo un reto. «Pero eso es lo emocionante de este proyecto: Hay muchos aspectos que están realmente a la vanguardia»

Pie de foto: Cómo aislar y secuenciar el ADN en el espacio: Comenzar con una fase de disrupción, utilizando ondas de sonido u otras para pulsar perlas magnéticamente atractivas para que abran esporas o células y dejen salir el ADN. El ADN se adhiere a las perlas, que luego son atraídas por un imán durante la fase de purificación. A continuación, las perlas se lavan para eliminar el ADN, que se envía a un secuenciador de nanoporos. El secuenciador lee la cadena de moléculas que componen el ADN: C, A, T y G. En teoría, este sistema debería funcionar con cualquier molécula de cadena larga como el ADN, incluido el ARN, las proteínas o algo totalmente nuevo.

Image credit: Johns Hopkins APL

El inconveniente de los aminoácidos es que están por todas partes, desde los meteoritos hasta los cometas y las nubes interestelares. Ciertos indicios pueden indicar si son biológicos o no. Los aminoácidos se presentan en dos formas que son imágenes especulares la una de la otra: una se considera zurda y la otra diestra. Por alguna casualidad de la evolución, toda la vida en la Tierra utiliza sólo los aminoácidos zurdos. Así que, por extensión, si un tipo aparece más que el otro en una muestra de otro mundo, podría ser una señal de vida.

Bradburne, sin embargo, no se lo cree del todo. «¿Cómo se sabe que no se trata de una simple contaminación?», preguntó, como si se tratara de un microbio autoestopista que de alguna manera escapó al proceso de limpieza profunda al que se someten todas las naves espaciales antes de su lanzamiento. La detección de vida en el universo, dice, se reduce no sólo a detectar las moléculas que se buscan, sino a minimizar las posibilidades de obtener un falso positivo y a asegurarse de que los experimentos son repetibles.

El ADN y el ARN no son necesariamente mejores para abordar esos problemas a menos que se puedan secuenciar. Por eso, cuando se inventaron los secuenciadores de nanoporos, el equipo vio una nueva oportunidad.

El camino hacia la secuenciación

Los secuenciadores de nanoporos son pequeñas máquinas del tamaño de una memoria USB que pueden tomar una cadena de ADN o ARN y leer la serie de bloques moleculares que la componen. La cadena se desplaza a través de un poro de una milmillonésima de pulgada de ancho, por el que pasa un campo eléctrico. Cada nucleótido perturba de forma única ese campo eléctrico a medida que se mueve a través del poro. Y un ordenador puede interpretar esa alteración y decir exactamente qué nucleótido acaba de pasar.

Además de tener el tamaño ideal para una nave espacial, dijo Bradburne, los secuenciadores de nanoporos deberían, en teoría, ser capaces de interpretar cualquier tipo de molécula de cadena larga que pase por ellos: ADN, ARN, proteínas o algún ARN-X desconocido. Pero también reducen las posibilidades de que una señal no sea sólo un microbio polizón. Los organismos terrestres tienen cadenas reconocibles, como las que codifican enzimas específicas y otras proteínas comunes a los seres vivos de la Tierra. Por lo tanto, si las secuencias parecen coincidir con las que se encuentran con frecuencia aquí en la Tierra, es probable que se trate de un falso positivo.

«El rendimiento científico sería increíble», dijo Bradburne.

Sin embargo, hay una serie de razones por las que los actuales secuenciadores de nanoporos no están preparados para el espacio. Por un lado, están hechos de materiales que no pueden soportar años de temperaturas bajo cero y radiación; incluso en la Tierra, sólo duran unos seis meses. Más problemático aún es que utilizan proteínas de bacterias estafilocócicas para el poro, lo que hace temer que se introduzcan accidentalmente productos biológicos de la Tierra.

Esos retos han obligado al equipo a empezar a desarrollar, en cambio, un novedoso secuenciador y un sistema de preparación de muestras que lo acompañe.

«La idea es que, con el tiempo, tengamos un instrumento completo para preparar la muestra de la forma que queramos y luego analizarla», dijo Craft.

El componente de preparación de la muestra ha avanzado mucho en el último año. El equipo está probando ondas sonoras y otros métodos disruptivos para abrir las células y las esporas que pueden albergar el material genético y las perlas magnéticas para retener las moléculas de cadena larga.

Pero el diseño del secuenciador de nanoporos ha sido más difícil. Una plataforma sintética con nanoporos prensados en ella es lo más ideal, pero sigue siendo incierto cómo controlar el tamaño de los poros y hacerlos de manera que ralenticen la molécula para que el ordenador pueda registrar cada molécula de la cadena a su paso. Un colaborador canadiense sugirió incluso que los poros se hicieran al llegar al destino para mitigar los problemas de conservación. «No estoy seguro de cómo lo haríamos, pero nada está fuera de la mesa ahora mismo», dijo Bradburne.

A pesar de los obstáculos, el equipo no ha perdido tiempo en hablar de su herramienta con los investigadores que desarrollan misiones conceptuales. «Hablamos de él siempre que podemos», dijo Craft, sobre todo para que la gente sepa que es un instrumento próximo y viable.

Y un concepto reciente, una misión a la luna de Saturno Encélado, incluye algo muy parecido.

Otra búsqueda de vida

Con una anchura de 314 millas -más o menos el ancho de Pensilvania- y a una distancia media nueve veces mayor del Sol que la Tierra, Encélado debería haber sido sólo una bola de hielo congelada.

Pero en 2006, la misión Cassini de la NASA reveló un tentador descubrimiento: un penacho de vapor de agua y hielo que salía de cuatro cavernosas «rayas de tigre» en el polo sur de Encélado. Diversas mediciones indican que las fallas enlazan directamente con un océano global de agua líquida bajo la superficie. El océano puede estar interactuando con el núcleo rocoso de la luna de forma similar a las fuentes hidrotermales de las profundidades de la Tierra, donde viven y prosperan cerca de 600 especies animales.

Crédito de la imagen: Johns Hopkins APL

Al pasar por los penachos, Cassini encontró moléculas como metano, dióxido de carbono y amoníaco -supuestos fragmentos químicos de moléculas más complejas con cuatro de los seis elementos clave para la vida: carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno.

«Encélado es un mundo oceánico del que tenemos suficientes datos para ir más allá de preguntar si es habitable», dijo Shannon MacKenzie, científica planetaria del APL. «En Encélado, estamos preparados para dar el siguiente paso y buscar señales de vida».

MacKenzie dirigió recientemente el desarrollo de un concepto de misión que haría precisamente eso. Se llama Enceladus Orbilander, y funcionaría tal y como suena: en parte como un orbitador y en parte como un aterrizador. Seis instrumentos realizarían mediciones en el material recogido en el penacho de Encélado para buscar varias posibles biofirmas: aminoácidos izquierdos y derechos, grasas y otros hidrocarburos de cadena larga, moléculas capaces de almacenar información genética e incluso estructuras similares a las de las células.

Como concepto de misión, el estudio de Orbilander no identifica implementaciones específicas de instrumentos como los que el equipo de Craft y Bradburne está produciendo, pero sí incluye sus ideas conceptuales.

«Siempre va a haber una cierta cantidad de incertidumbre en las mediciones de búsqueda de vida», dijo MacKenzie. «Por eso es tan importante contar con un buen paso de preparación de la muestra, que ayude a minimizar el límite de detección, y por eso es tan crítico contar con instrumentos como el secuenciador de nanoporos, que puede ofrecer tanto identificación como caracterización».»

Con la posibilidad de tomar muestras de una luna oceánica, el equipo de Craft y Bradburne está tratando de determinar cuánta agua se necesita para detectar esas bioseñales. Y, por supuesto, no es fácil. «Pensaba que podríamos ir a estos mundos oceánicos, sumergir los dedos de los pies y ser capaces de ver si hay vida o no», dijo Craft. Pero a medida que ha ido leyendo las investigaciones de los oceanógrafos, se ha dado cuenta de que tienen que filtrar litros de agua para buscar pruebas de vida, incluso aquí en la Tierra. «Es increíble. Por toda esa agua que hay ahí fuera, está tan diluida», dijo.

¿Cómo se recogen esos grandes volúmenes de agua y se concentran en otro mundo? ¿Cómo se puede procesar en un microchip y ver si hay moléculas importantes en él?

«Hay un montón de retos que aún no se han abordado», dijo Craft. Sin embargo, el equipo sigue trabajando. El mes pasado llevaron a cabo algunos experimentos haciendo pasar por su chip de muestreo varios volúmenes de muestras de aminoácidos diluidos en el agua del océano. Los resultados iniciales son prometedores, ya que el sistema capta todos los aminoácidos con un rango de eficiencia que se recogerá en un próximo artículo científico.

Si alguna vez se pasa del concepto a la plataforma de lanzamiento, Enceladus Orbilander no despegaría hasta mediados de la década de 2030, lo que daría al equipo de Craft y Bradburne algo de tiempo para seguir desarrollando sus herramientas. Pero incluso si la tecnología no está lista para esa misión, Ohiri, al igual que otros miembros del equipo, sigue siendo optimista de que la tecnología volará algún día.

«Mi esperanza es que para cuando la tecnología esté lo suficientemente madura, habrá una misión en los libros, y estaremos listos para ella», dijo.