Tarkempia merkkejä elämästä

Nasa:n kaksi Viking-laskeutujaa laskeutui Marsin pinnalle kevyellä jysähdyksellä vuonna 1976. Seitsemän jalkaa korkeat, kymmenen jalkaa pitkät ja noin 1 300 kiloa painavat avaruusalukset – ensimmäinen Yhdysvaltain operaatio, joka laskeutui menestyksekkäästi Marsin pinnalle – näyttivät ylikasvaneilta pillerihäröiltä.

Neidän edessään oli ruosteinen, pölyinen, kiviä täynnä oleva joutomaa ruskehtavan oranssinpunaista taivasta vasten, joka oli kaukana niistä vilkkaista muukalaiskaupungeista, joita tieteiskirjailijat ja -elokuvissa oli kuvattu. Tutkijat eivät koskaan odottaneet muukalaiskaupunkeja, mutta he epäilivät, että Marsin maaperässä saattoi piillä mikrobiologisten muukalaisten siirtokuntia. Laskeutumisalukset olivat ensimmäiset, jotka etsivät maan ulkopuolista elämää.

Kummassakin laskeutumisaluksessa oli kolme automatisoitua elämää havaitsevaa instrumenttia, joista kukin inkuboi näytettä pinnalta ja tutki yläpuolella olevaa ilmaa molekyylien, kuten hiilidioksidin, joka saattaisi viitata fotosynteesiin, tai metaanin havaitsemiseksi, jota mikrobit saattaisivat tuottaa aineenvaihduntaprosessissaan laskeutumisalusten tarjoamia ravintoaineita hyödyntäessään.

Yksikin instrumenteista sai positiivisen signaalin. Merkityn vapautumisen koe, jossa seurattiin radioaktiivista hiiltä sen siirtyessä sulavasta sokerista sulatettuun hiilidioksidiin, näki paljastavan merkin elävistä, aineenvaihduntaa harjoittavista mikrobeista.

Kahdessa muussa kokeessa ei kuitenkaan koskaan näkynyt.

Kuvan kuvateksti: Kun NASAn Viking-laskeutumisalukset kuvasivat Marsin pintaa, ne näyttivät kivien ja pölyn karua maata.

Kuvan luotto: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Tämä ehkä-löytö herätti keskustelun, joka jatkuu vielä tänäkin päivänä, ja sen kannattajat vaativat (ja uudet tutkimukset viittaavat siihen), että vain jokin elävä olento olisi voinut saada aikaan tuon positiivisen signaalin.

Mutta monien tiedeyhteisön jäsenten tavoin Kate Craft, Johns Hopkinsin soveltavan fysiikan laboratorion planeettatutkija, on edelleen skeptinen. ”Se oli hyvä koe, mutta se oli hyvin rajallinen sen suhteen, mitä se pystyi havaitsemaan”, hän totesi.

Yksi, Viking-kokeissa oletettiin, että Marsin mikrobit söisivät niille tarjoamamme ravintoaineet, mikä ei välttämättä ole totta. Ja vaikka ne söisivätkin, on silti vaikea uskoa vain yhteen todisteeseen. ”Haluamme aina saada positiivisia tuloksia useammasta merkistä”, hän sanoi.

Ongelmallisempaa on kuitenkin se, että tiedemiehet eivät tuolloin tienneet, että Marsin pintaa peittävät perkloraattisuolat, jotka ovat klooria ja happea sisältäviä mineraaleja, jotka kokeiden mukaan voivat kuumentuessaan tuhota orgaanisia molekyylejä ja mikrobeja tuottaen kloorikaasuja, joita Viking-laskeutumisalukset havaitsivat itse asiassa. Kukaan ei tiennyt suolojen olemassaolosta ennen vuotta 2008, jolloin NASAn Phoenix-laskeutuja löysi ne.

Craftille ja hänen kollegalleen Chris Bradburnelle, biologille ja APL:n vanhemmalle tutkijalle, Viking-lentomatkat korostivat sitä, että tiedemiehillä on edessään valtava haaste, kun he eivät voi varmuudella sanoa, että olemme löytäneet elämää toisesta maailmasta. Todisteiden tyypillä, varmuudella ja toistettavuudella on merkitystä. Lukuisat avaruusalukset ovat Viking-laskeutujien jälkeen palanneet Marsiin etsimään orgaanisia molekyylejä, jotka sisältävät pääasiassa hiiltä, vetyä ja happea. Ne liitetään yleisesti elämään, mutta ne eivät ole varmoja indikaattoreita siitä.

”On paljon seksikkäämpää ajatella ilmaisinta. Mutta jos et osaa valmistella näytteitäsi ja optimoida niitä niin, että sensori pystyy havaitsemaan etsimäsi, niistä ei ole mitään hyötyä.”

Chris Bradburne

Biologi ja vanhempi tutkija, APL

Mutta Marsin suoloja koskeva paljastus toi esiin tärkeämmän, vaikkakin jokseenkin innostamattoman asian:

Tutkijat ovat kiinnittäneet huomionsa yhtälön havaitsemispuoleen, mutta näytteiden valmistelu – aiempi vaihe työnkulussa – on jäänyt useimmiten huomiotta. Suolat ovat erityisen huolestuttavia, koska ne voivat vaikeuttaa analyysiä, ja tulevien elämänhavaintolentojen ensisijaisia kohteita ovat paikat, joiden pinnan alla on suolaisia, nestemäisen veden valtameriä – maailmat, kuten Jupiterin Europa-kuu ja Saturnuksen Enceladus-kuu.

Vuodesta 2013 lähtien Bradburne, Craft ja tutkijaryhmä APL:ssä ovat kehittäneet uusia kämmenen kokoluokan mikrofluidisia järjestelmiä tulevia avaruuslentokoneita varten, jotta haasteeseen voitaisiin vastata. Niillä voidaan puhdistaa ja eristää molekyylejä, jotka voisivat olla vahvoja elämän indikaattoreita – aminohappoja, proteiineja, RNA:ta, DNA:ta.

”On paljon seksikkäämpää ajatella ilmaisinta”, Bradburne sanoi. ”Mutta jos et voi valmistella näytteitäsi ja optimoida niitä niin, että anturi pystyy havaitsemaan etsimäsi, niistä ei ole mitään hyötyä.”

Mutta tiimi on viemässä yhtä instrumenttiaan vieläkin pidemmälle: avaruuden sekvensseri. Se ei vain esikäsittelisi ja keskittäisi pitkäketjuisia molekyylejä, kuten DNA:ta ja RNA:ta, vaan pumppaisi niiden koko geneettisen koodin suoraan määränpäähän. Lisäksi se havaitsisi nämä molekyylit riippumatta siitä, ovatko ne maanpäällisen DNA:n ja RNA:n kaltaisia vai eivät, mikä antaisi mahdollisuuden havaita elämää, jolla on täysin erillinen alkuperä.

”Se voisi antaa todella vakuuttavan signaalin”, Bradburne sanoi. Täytyy vain keksiä, miten se rakennetaan.

Puhdistuskoneet

Craft ja Bradburne olivat harkinneet DNA:lle ja RNA:lle tarkoitetun näytteenvalmistussirun luomista jo vuonna 2014, ja ne perustuivat Bradburnen muutamaa vuotta aiemmin aloittamaan työhön.

Mikäli elämän indikaattoreista puhutaan, DNA:n ja RNA:n paikka on listalla verrattain ylhäällä, sillä ne molemmat muodostavat sen selkärangan, josta kaikki maanpäällinen elämä on kehittynyt. Mutta juuri tästä syystä monet tiedemiehet suhtautuivat epäilevästi DNA:n ja RNA:n etsimiseen muualta aurinkokunnasta.

He väittivät, että jotta geneettinen materiaali voisi siirtää tietoa sukupolvelta toiselle, eliöiden olisi jo pitänyt jossain määrin kehittyä; Craftin mukaan tämä on melko epätodennäköinen mahdollisuus. Näin ollen monet tutkijat pitivät DNA:ta ja RNA:ta vähemmän tärkeinä biosignaaleina ja asettivat sen sijaan etusijalle elämän muut rakennusaineet, kuten aminohapot – kaikkien proteiinien ja entsyymien osatekijät. ”Elämän ei tarvitsisi olla ’yhtä kehittynyttä’ näiden merkkien vuoksi”, Craft selitti.

Työryhmä vaihtoi siis vaihteen ja valmisti aminohappojen miniatyyrimäisen näytteenvalmistusjärjestelmän. APL:n kemisti Jen Skerritt, kemian insinööri Tess Van Volkenburg ja myöhemmin mikrofluidiikan asiantuntija Korine Ohiri liittyivät ryhmään. Vuodesta 2018 lähtien he ovat vähitellen viimeistelleet suunnittelua.

Noin 4 tuumaa leveä, 4 tuumaa pitkä ja 2 tuumaa korkea järjestelmä mahtuu helposti kämmenelle. Silti se on varustettu kaikilla pumpuilla ja venttiileillä, joita tarvitaan näytteen työntämiseen läpi. Viimeisimmän mallin aktiivinen alue on täynnä pieniä helmiä, jotka vetävät aminohappoja puoleensa happamissa liuoksissa, kun taas suolat ja muut roskat virtaavat toiselle puolelle jäteastiaan. Kun näyte on kulkenut läpi, aminohapot irrotetaan helmistä emäksisellä liuoksella ja kuljetetaan mihin tahansa siruun kiinnitettyyn ilmaisimeen.

Avaruuteen tarkoitetun esikäsittelyjärjestelmän suunnittelu ei ole ollut helppoa, Ohiri sanoi. Käytettävissä olevan tehon määrä on murto-osa siitä, mitä laboratoriossa voidaan käyttää, ja materiaalien on kestettävä mahdollisesti äärimmäistä lämpötilaa ja säteilyä. Ryhmä valmistaa tällä hetkellä aminohappojen puhdistusjärjestelmää tavallisista pikaprototyyppimateriaaleista, kuten 3D-tulostuksessa käytettävistä korkean resoluution hartseista, mutta Ohirin mukaan materiaalin saaminen avaruuskelpoiseksi samalla kun sen suorituskyky säilyy, on edelleen haastavaa. ”Mutta juuri se tässä hankkeessa on niin jännittävää: On niin monia näkökohtia, jotka ovat todella huippuluokkaa.”

Kuvan kuvateksti: DNA:n eristäminen ja sekvensointi avaruudessa: Aloitetaan hajotusvaiheella, jossa käytetään ääntä tai muita aaltoja magneettisesti vetovoimaisten helmien pulssittamiseen niin, että ne murtavat itiöt tai solut auki ja päästävät DNA:n ulos. DNA kiinnittyy helmiin, jotka sitten vedetään magneettia kohti puhdistusvaiheessa. Tämän jälkeen helmet pestään DNA:n poistamiseksi, minkä jälkeen se lähetetään nanopore-sekvensointilaitteeseen. Sekvensseri lukee sitten DNA:n muodostavan molekyyliketjun – C, A, T ja G. Tämän asetelman pitäisi teoriassa toimia minkä tahansa DNA:n kaltaisen pitkäketjuisen molekyylin, kuten RNA:n, proteiinien tai jonkun aivan uuden molekyylin kohdalla.

Kuvan luotto: Johns Hopkins APL

Aminohappojen haittapuoli on kuitenkin se, että niitä on kaikkialla – meteoriiteista komeettoihin ja tähtienvälisiin pilviin. Tietyt vihjeet voivat osoittaa, ovatko ne biologisia vai eivät. Aminohappoja on kahta muotoa, jotka ovat toistensa peilikuvia: toista pidetään vasenkätisenä, toista oikeakätisenä. Jostain evoluution sattumasta johtuen kaikki elämä maapallolla käyttää vain vasenkätisiä aminohappoja. Jos siis jompaa kumpaa tyyppiä esiintyy enemmän kuin toista toisesta maailmasta peräisin olevassa näytteessä, se voisi olla merkki elämästä.

Bradburne ei kuitenkaan usko tätä täysin. ”Mistä tiedät, ettei kyseessä ole vain kontaminaatio?” hän kysyi, esimerkiksi liftaavasta mikrobista, joka jotenkin pakeni syväpuhdistusprosessia, jonka kaikki avaruusalukset käyvät läpi ennen laukaisua. Hänen mukaansa elämän havaitseminen maailmankaikkeudessa ei riitä vain etsimiemme molekyylien havaitsemiseen, vaan on minimoitava väärän positiivisen tuloksen mahdollisuus ja varmistettava, että kokeet ovat toistettavissa.

DNA ja RNA eivät välttämättä ole parempia näiden ongelmien ratkaisemisessa, ellei niitä voi sekvensoida. Ja siksi, kun nanopore-sekvensointilaitteet keksittiin, tutkimusryhmä näki uudenlaisen mahdollisuuden.

Tie sekvensointiin

Nanopore-sekvensointilaitteet ovat pieniä, peukaloaseman kokoisia koneita, jotka voivat ottaa DNA- tai RNA-juosteen ja lukea sarjan molekyylien rakennuspalikoita, joista se on tehty. Säie liikkuu huokosen läpi, joka on vain tuuman miljardisosan levyinen ja jonka läpi kulkee sähkökenttä. Jokainen nukleotidi häiritsee ainutlaatuisella tavalla tuota sähkökenttää, kun se liikkuu huokosen läpi. Tietokone voi tulkita tuon häiriön ja sanoa tarkalleen, mikä nukleotidi kulki juuri läpi.

Sen lisäksi, että nanohuokosekvensointilaitteet ovat Bradburnen mukaan ihanteellisen kokoisia avaruusalukselle, niiden pitäisi teoriassa pystyä tulkitsemaan mitä tahansa pitkäketjuista molekyyliä, joka kulkee niiden läpi – DNA:ta, RNA:ta, proteiineja tai tuntematonta XNA:ta. Mutta ne myös pienentävät mahdollisuuksia siihen, että signaali ei ole vain salamatkustaja-mikrobi. Maasta peräisin olevilla organismeilla on tunnistettavia säikeitä, kuten ne, jotka koodaavat tiettyjä entsyymejä ja muita proteiineja, jotka ovat yhteisiä maapallon eliöille. Joten jos sekvenssit näyttävät täsmäävän niiden kanssa, joita löytyy usein täältä Maasta, kyseessä on todennäköisesti väärä positiivinen tulos.

”Tieteellinen tuotto olisi aivan uskomaton”, Bradburne sanoi.

On kuitenkin monia syitä siihen, miksi nykyiset nanopore-sekvensointilaitteet eivät ole valmiita avaruuteen. Ensinnäkin ne on valmistettu materiaaleista, jotka eivät kestä vuosien pakkasta ja säteilyä; jopa Maassa ne kestävät vain noin kuusi kuukautta. Vielä ongelmallisempaa on se, että ne käyttävät huokosissa stafylokokki-bakteerien proteiineja, mikä herättää huolta siitä, että Maasta saatetaan vahingossa tuoda sinne biologisia tuotteita.

Nämä haasteet ovat pakottaneet ryhmän sen sijaan aloittamaan uudenlaisen sekvensointilaitteen ja siihen liittyvän näytteenvalmistusjärjestelmän kehittämisen.

”Ajatuksena on, että lopulta meillä on kokonainen instrumentti, jolla valmistelemme näytteen haluamallamme tavalla ja sitten analysoimme sen”, Craft sanoi.

Näytteenvalmistusosassa on edistytty merkittävästi viimeisen vuoden aikana. Ryhmä kokeilee ääniaaltoja ja muita häiritseviä menetelmiä rikkoakseen soluja ja itiöitä, jotka saattavat sisältää geneettistä materiaalia, ja magneettihelmiä, jotka sitten pitävät kiinni pitkäketjuisista molekyyleistä.

Mutta nanopore-sekvensoijan suunnittelu on ollut haastavampaa. Synteettinen alusta, johon on puristettu nanohuokosia, on ihanteellisin, mutta on vielä epävarmaa, miten huokosten kokoa hallitaan ja miten ne tehdään niin, että ne hidastavat molekyylin kulkua niin, että tietokone voi rekisteröidä jokaisen ketjun molekyylin, kun se kulkee ketjun läpi. Eräs kanadalainen yhteistyökumppani ehdotti jopa, että huokoset tehtäisiin vasta sitten, kun ne saavuttavat määränpäänsä, jotta säilyvyysongelmia voitaisiin lieventää. ”En ole varma, miten tekisimme sen, mutta mikään ei ole poissa pöydältä juuri nyt”, Bradburne sanoi.

Esteistä huolimatta ryhmä ei ole hukannut aikaa puhumalla työkalustaan konseptitehtäviä kehittävien tutkijoiden kanssa. ”Puhumme siitä, kun voimme”, Craft sanoi, lähinnä kertoakseen ihmisille, että kyseessä on tuleva, käyttökelpoinen instrumentti.

Yksi viimeisimmistä konsepteista, Saturnuksen kuuhun Enceladukseen suuntautuva operaatio, sisältää jotain hyvin samankaltaista.

Toinen elämän etsintä

Enceladuksen, joka on 314 mailia leveä – noin Pennsylvanian leveys – ja keskimäärin yhdeksän kertaa kauempana Auringosta kuin Maa, olisi pitänyt olla pelkkä jäätynyt jääpallo.

Mutta vuonna 2006 NASA:n Cassini-lento paljasti houkuttelevan havainnon: Enceladuksen etelänavan neljästä luolamaisesta ”tiikerijuovasta” purkautuva vesihöyryn- ja jäänjuova. Erilaiset mittaukset viittaavat siihen, että viat ovat suoraan yhteydessä pinnan alla olevaan maailmanlaajuiseen nestemäiseen vesimereen. Meri saattaa olla vuorovaikutuksessa kuun kivisen ytimen kanssa tavalla, joka muistuttaa Maan syvänmeren hydrotermisiä aukkoja, joissa elää ja viihtyy lähes 600 eläinlajia.

Kuvan luotto: Johns Hopkins APL

Kun Cassini kulki juovien läpi, se löysi metaanin, hiilidioksidin ja ammoniakin kaltaisia molekyylejä – epäiltyjä kemiallisia fragmentteja monimutkaisemmista molekyyleistä, joissa on neljä kuudesta elämälle keskeisestä alkuaineesta: hiili, vety, typpi ja happi.

”Enceladus on valtamerimaailma, josta meillä on tarpeeksi tietoa, jotta voimme mennä pidemmälle kuin vain kysymään, onko se asumiskelpoinen”, sanoi APL:n planeettatutkija Shannon MacKenzie. ”Enceladuksella olemme valmiita ottamaan seuraavan askeleen ja etsimään merkkejä elämästä.”

MacKenzie johti hiljattain sellaisen tehtäväkonseptin kehittämistä, joka tekisi juuri niin. Sen nimi on Enceladus Orbilander, ja se toimisi juuri niin kuin se kuulostaa: osittain kiertäjä, osittain laskeutuja. Kuusi mittalaitetta tekisi mittauksia Enceladuksen juonesta kerätystä materiaalista etsiäkseen useita mahdollisia biosignaaleja – vasen- ja oikeakätisiä aminohappoja, rasvoja ja muita pitkäketjuisia hiilivetyjä, molekyylejä, jotka pystyvät tallentamaan geneettistä tietoa, ja jopa solun kaltaisia rakenteita.

Lähetyskonseptina Orbilander-tutkimus ei yksilöi konkreettisia laitetoteutuksia, jollaisia Craftin ja Bradburnen ryhmä tuottaa, mutta se sisältää heidän konseptuaalisia ideoitaan.

”Elämää etsivissä mittauksissa on aina jonkin verran epävarmuutta”, MacKenzie sanoi. ”Siksi hyvä näytteen esikäsittelyvaihe, joka auttaa minimoimaan havaitsemisrajan, on niin tärkeä, ja siksi nanopore-sekvensserin kaltaiset instrumentit, jotka voivat tarjota sekä tunnistuksen että karakterisoinnin, ovat niin kriittisiä.”

Mikäli on mahdollista ottaa näytteitä valtameren kuusta, Craftin ja Bradburnen ryhmä yrittää selvittää, kuinka paljon vettä tarvitaan näiden biosignatuurien havaitsemiseen.” ”

Mikäli on mahdollista ottaa näytteitä valtameren kuusta. Eikä se tietenkään ole helppoa. ”Ajattelin, että voisimme mennä näihin valtamerimaailmoihin, kastaa varpaamme ja nähdä, onko siellä elämää vai ei”, Craft sanoi. Mutta kun hän on lukenut merentutkijoiden tutkimuksia, hän on oppinut, että heidän on suodatettava litroittain vettä etsiäkseen merkkejä elämästä – jopa täällä maapallolla. ”Se on aivan uskomatonta. Koska siellä on niin paljon vettä, se on niin laimeaa”, hän sanoi.

Miten kerätään niin suuria vesimääriä ja keskitetään ne toiseen maailmaan? Miten niitä käsitellään mikrosirussa ja nähdään, onko niissä tärkeitä molekyylejä?

”On vain joukko haasteita, joita ei ole vielä ratkaistu”, Craft sanoi. Ryhmä jatkaa kuitenkin töitä. Viime kuussa he tekivät kokeita, joissa he huuhtelivat näytesirun läpi erilaisia määriä laimeita aminohapponäytteitä, jotka oli lisätty meriveteen. Alustavat tulokset ovat lupaavia, ja järjestelmä vangitsee kaikki aminohapot eri tehokkuusasteilla, jotka raportoidaan tulevassa tieteellisessä julkaisussa.

Jos Enceladus Orbilander siirretään konseptista laukaisualustalle, se nousee ilmaan vasta 20-30-luvun puolivälissä, mikä antaa Craftin ja Bradburnen työryhmälle aikaa kehittää työkalujaan edelleen. Mutta vaikka teknologia ei olisikaan valmis tuohon tehtävään, Ohiri, kuten muutkin ryhmän jäsenet, on optimistinen sen suhteen, että teknologia lentää vielä jonain päivänä.

”Toivon, että siihen mennessä, kun teknologia on tarpeeksi kypsää, meillä on valmis tehtävä, ja me olemme valmiita siihen”, hän sanoi.