Segni più evidenti di vita

Quando hanno raggiunto la superficie di Marte nel 1976, i due lander Viking della NASA hanno toccato terra con un leggero tonfo. Con un’altezza di 7 piedi, una lunghezza di 10 piedi e un peso di circa 1.300 libbre, queste navicelle spaziali – la prima missione statunitense ad atterrare con successo sulla superficie marziana – sembravano insetti delle pillole troppo cresciuti.

Quello che si trovava davanti a loro era una terra arrugginita e polverosa disseminata di rocce sotto un cielo arancione-abbronzato, molto lontano dalle vivaci metropoli aliene che scrittori di fantascienza e film avevano raffigurato. Gli scienziati non si aspettavano città aliene, ma sospettavano che colonie di alieni microbici potessero essere in agguato sul suolo marziano. I lander furono i primi a cercare la vita extraterrestre.

Entrambi i lander erano dotati di tre strumenti automatici per il rilevamento della vita, ognuno dei quali incubava un campione dalla superficie, studiando l’aria sovrastante alla ricerca di molecole come l’anidride carbonica, che potrebbe indicare la fotosintesi, o il metano, che i microbi potrebbero produrre mentre metabolizzano i nutrienti forniti dai lander.

Uno degli strumenti ottenne un segnale positivo. L’esperimento di rilascio etichettato, seguendo il carbonio radioattivo mentre si spostava dallo zucchero digeribile all’anidride carbonica digerita, ha visto il segno rivelatore dei microbi viventi e metabolizzanti.

Gli altri due esperimenti, tuttavia, non l’hanno mai fatto.

Definizione immagine: Quando i Viking della NASA hanno fotografato la superficie di Marte, hanno mostrato una terra sterile di rocce e polvere.

Credito immagine: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Quella scoperta forse ha scatenato un dibattito che persiste ancora oggi, con i sostenitori che insistono (e nuove ricerche che suggeriscono) che solo qualcosa di vivo potrebbe aver fatto quel segnale positivo.

Ma come molti nella comunità scientifica, Kate Craft, una scienziata planetaria al Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, rimane scettica. “Era un buon esperimento, ma era molto limitato in ciò che era in grado di rilevare”, ha dichiarato.

Per prima cosa, gli esperimenti Viking presumevano che i microbi su Marte avrebbero mangiato le sostanze nutritive che abbiamo fornito loro, il che non è necessariamente vero. E anche se lo facessero, è ancora difficile credere a una sola linea di prova. “Vogliamo sempre avere dei riscontri positivi su più firme”, ha detto.

Più problematico, però, è che gli scienziati di allora non sapevano che la superficie di Marte è coperta di sali di perclorato, minerali contenenti cloro e ossigeno che gli esperimenti dimostrano che possono distruggere le molecole organiche e i microbi quando vengono riscaldati, producendo gas di cloro, che i lander Viking in effetti hanno rilevato. Nessuno sapeva che i sali erano lì fino al 2008, quando il lander Phoenix della NASA li ha scoperti.

Per Craft e il suo collega Chris Bradburne, un biologo e scienziato senior all’APL, le missioni Viking hanno sottolineato la sfida mostruosa che gli scienziati devono affrontare per dire definitivamente che abbiamo trovato vita su un altro mondo. Il tipo, la sicurezza e la ripetibilità di queste prove sono importanti. Numerosi veicoli spaziali dopo i Viking sono tornati su Marte, alla ricerca di molecole organiche, che contengono principalmente carbonio, idrogeno e ossigeno. Sono comunemente associate alla vita ma non ne sono sicuri indicatori.

Ma la rivelazione sui sali su Marte ha evidenziato un punto più saliente, anche se poco stimolante: Le possibilità di rilevare segni di vita anche con la migliore tecnologia sono probabilmente scarse se non si purificano prima i campioni.

I ricercatori si sono fissati sul lato di rilevamento dell’equazione, ma la preparazione del campione – un passo precedente nel flusso di lavoro – è stato per lo più ignorato. I sali sono particolarmente preoccupanti, poiché possono rendere difficile l’analisi, e gli obiettivi principali per le future missioni di rilevamento della vita sono luoghi con oceani di acqua liquida salata sotto le loro superfici – mondi come la luna di Giove Europa e la luna di Saturno Encelado.

Dal 2013, Bradburne, Craft e un team di ricercatori dell’APL hanno sviluppato nuovi sistemi microfluidici palmari per i futuri veicoli spaziali per affrontare questa sfida. Possono purificare e isolare molecole che potrebbero essere forti indicatori di vita-aminoacidi, proteine, RNA, DNA.

“È molto più sexy pensare al rivelatore”, ha detto Bradburne. “Ma se non puoi preparare i tuoi campioni e ottimizzarli in modo che il tuo sensore possa rilevare ciò che stai cercando, non ti servono a niente.”

Ma il team sta spingendo uno dei loro strumenti ancora più lontano: un sequenziatore per lo spazio. Non solo preparerebbe e concentrerebbe molecole a catena lunga come il DNA e l’RNA, ma pomperebbe il loro intero codice genetico direttamente a destinazione. Inoltre, rileverebbe queste molecole se sono come il DNA e l’RNA terrestre o no, fornendo la capacità di rilevare la vita con un’origine completamente separata.

“Potrebbe darvi un segnale davvero conclusivo”, ha detto Bradburne. Bisogna solo capire come costruirlo.

Le macchine per la pulizia

Craft e Bradburne avevano preso in considerazione la creazione di un chip per la preparazione di campioni di DNA e RNA già nel 2014, basandosi sul lavoro che Bradburne aveva iniziato qualche anno prima.

Per quanto riguarda gli indicatori di vita, DNA e RNA sono relativamente in alto nella lista, poiché entrambi costituiscono la spina dorsale da cui si è evoluta tutta la vita sulla Terra. Ma è proprio per questo motivo che molti scienziati erano scettici sulla ricerca di DNA e RNA altrove nel sistema solare.

Perché il materiale genetico trasmetta informazioni tra le generazioni, sostenevano, gli organismi avrebbero già dovuto evolversi in qualche misura; una possibilità abbastanza improbabile, diceva Craft. Come tale, molti scienziati consideravano il DNA e l’RNA meno importanti come biosignature e davano invece la priorità agli altri elementi costitutivi della vita, come gli aminoacidi, i costituenti di tutte le proteine e degli enzimi. La vita non avrebbe dovuto essere “così evoluta” per quelle firme”, ha spiegato Craft.

Così, il team ha cambiato marcia per realizzare un sistema di preparazione del campione in miniatura per gli aminoacidi. Il chimico dell’APL Jen Skerritt, l’ingegnere chimico Tess Van Volkenburg e più tardi Korine Ohiri, un esperto di microfluidica, si sono uniti al team. Dal 2018, hanno gradualmente perfezionato il design.

A circa 4 pollici di larghezza, 4 pollici di lunghezza e 2 pollici di altezza, il sistema può facilmente stare nel palmo della mano. Eppure è dotato di tutte le pompe e le valvole necessarie per spingere un campione attraverso. La regione attiva dell’ultimo design è piena di minuscole perline che attraggono gli aminoacidi nelle soluzioni acide, mentre i sali e le altre schifezze continuano a fluire dall’altra parte in un deposito di rifiuti. Dopo che il campione passa attraverso, gli aminoacidi sono spogliati dalle perline con una soluzione di base e spediti a qualsiasi rivelatore è collegato al chip.

Progettare un sistema di preparazione per lo spazio non è stato facile, ha detto Ohiri. La quantità di energia disponibile è frazioni di quella che può essere utilizzata in laboratorio, e i materiali devono resistere a temperature e radiazioni potenzialmente estreme. Il team sta attualmente realizzando il sistema di purificazione degli aminoacidi da materiali comuni di prototipazione rapida, come le resine ad alta risoluzione utilizzate nella stampa 3D, ma ottenere il materiale per essere degno dello spazio pur mantenendo le sue prestazioni, ha detto Ohiri, rimane impegnativo. “Ma questo è ciò che è così eccitante di questo progetto: Ci sono così tanti aspetti che sono davvero all’avanguardia.”

Image caption: Come isolare e sequenziare il DNA nello spazio: Iniziare con una fase di interruzione, usando il suono o altre onde per pulsare perline magneticamente attraenti in modo che si aprano spore o cellule e lascino uscire il DNA. Il DNA si attacca alle perline, che vengono poi tirate verso un magnete durante la fase di purificazione. Le perline vengono poi lavate per rimuovere il DNA, che viene poi inviato a un sequenziatore a nanopori. Il sequenziatore legge poi la catena di molecole che compongono il DNA-C, A, T, e G. Questo set up dovrebbe teoricamente funzionare per qualsiasi molecola a catena lunga come il DNA, tra cui RNA, proteine, o qualcosa di completamente nuovo.

Image credit: Johns Hopkins APL

Il compromesso con gli aminoacidi, però, è che sono ovunque, dai meteoriti alle comete alle nuvole interstellari. Alcuni indizi possono indicare se sono biologici o no. Gli aminoacidi si presentano in due forme che sono immagini speculari l’una dell’altra: una considerata di sinistra, l’altra di destra. Per un caso fortuito di evoluzione, tutta la vita sulla Terra usa solo gli aminoacidi di sinistra. Quindi, per estensione, se un tipo appare più dell’altro in un campione da un altro mondo, potrebbe essere un segno di vita.

Bradburne, tuttavia, non lo compra completamente. “Come fai a sapere che non è solo una contaminazione?” ha chiesto, come ad esempio da un microbo autostoppista che in qualche modo è sfuggito al processo di pulizia profonda che tutti i veicoli spaziali attraversano prima del lancio. Rilevare la vita nell’universo, dice, non significa solo rilevare le molecole che si stanno cercando, ma ridurre al minimo le possibilità di ottenere un falso positivo e assicurarsi che gli esperimenti siano ripetibili.

DNA e RNA non sono necessariamente migliori per affrontare questi problemi, a meno che non si possa sequenziarli. Ed è per questo che, quando sono stati inventati i sequenziatori nanopore, il team ha visto una nuova opportunità.

La strada per il sequenziamento

I sequenziatori nanopore sono piccole macchine delle dimensioni di una chiavetta che possono prendere un filamento di DNA o RNA e leggere la serie di blocchi molecolari di cui è fatto. Il filamento si muove attraverso un poro che è largo appena un miliardesimo di pollice e che ha un campo elettrico che lo attraversa. Ogni nucleotide interrompe in modo unico quel campo elettrico mentre si muove attraverso il poro. E un computer può interpretare questa perturbazione e dire esattamente quale nucleotide è appena passato.

Oltre ad essere la dimensione ideale per un veicolo spaziale, ha detto Bradburne, i sequenziatori nanopore dovrebbero, in teoria, essere in grado di interpretare qualsiasi tipo di molecola a catena lunga che passa – DNA, RNA, proteine o qualche XNA sconosciuto. Ma riducono anche le possibilità che un segnale non sia solo un microbo clandestino. Gli organismi di origine terrestre hanno filamenti riconoscibili, come quelli che codificano per enzimi specifici e altre proteine comuni agli esseri viventi sulla Terra. Quindi, se le sequenze sembrano corrispondere a quelle che si trovano frequentemente qui sulla Terra, sono probabilmente un falso positivo.

“I ritorni scientifici sarebbero semplicemente sorprendenti”, ha detto Bradburne.

Ci sono una serie di ragioni, però, perché gli attuali sequenziatori nanopore non sono pronti per lo spazio. Per prima cosa, sono fatti di materiali che non possono resistere ad anni di temperature sottozero e radiazioni; anche sulla Terra, durano solo circa sei mesi. Ancora più problematico è che usano proteine da batteri stafilococchi per il poro, sollevando la preoccupazione di introdurre accidentalmente prodotti biologici dalla Terra.

Queste sfide hanno costretto la squadra a iniziare a sviluppare un nuovo sequenziatore e un sistema di preparazione del campione di accompagnamento.

“L’idea è che, alla fine, avremo uno strumento completo per preparare il campione come vogliamo e poi analizzarlo”, ha detto Craft.

La componente di preparazione del campione ha fatto progressi significativi nell’ultimo anno. Il team sta provando le onde sonore e altri metodi dirompenti per rompere le cellule e le spore che possono ospitare il materiale genetico e le perline magnetiche per poi trattenere le molecole a catena lunga.

Ma la progettazione del sequenziatore nanopore è stata più impegnativa. Una piattaforma sintetica con nanopori pressati in essa è l’ideale, ma come controllare le dimensioni dei pori e farli in modo che rallentino la molecola in modo che il computer possa registrare ogni molecola della catena al suo passaggio rimane incerto. Un collaboratore canadese ha anche suggerito di fare i pori quando raggiungono la destinazione per mitigare i problemi con la durata di conservazione. “Non sono sicuro di come lo faremmo, ma nulla è fuori dal tavolo in questo momento”, ha detto Bradburne.

Nonostante gli ostacoli, il team non ha perso tempo a parlare del loro strumento con i ricercatori che sviluppano missioni concettuali. “Ne parliamo quando possiamo”, ha detto Craft, soprattutto per far sapere che è uno strumento imminente e fattibile.

E un concetto recente, una missione sulla luna di Saturno Encelado, include qualcosa di molto simile ad esso.

Un’altra ricerca della vita

Alla larghezza di 314 miglia – circa la larghezza della Pennsylvania – e in media nove volte più lontano dal Sole della Terra, Encelado avrebbe dovuto essere solo una palla di ghiaccio congelata.

Ma nel 2006, la missione Cassini della NASA ha rivelato una scoperta allettante: un pennacchio di vapore acqueo e ghiaccio che vomita da quattro cavernose “strisce di tigre” al polo sud di Encelado. Varie misurazioni indicano che le faglie si collegano direttamente a un oceano globale di acqua liquida sotto la superficie. L’oceano potrebbe interagire con il nucleo roccioso della luna in un modo simile alle bocche idrotermali di profondità della Terra, dove vivono e prosperano quasi 600 specie animali.

Image credit: Johns Hopkins APL

Quando Cassini è passata attraverso i pennacchi, ha trovato molecole come metano, anidride carbonica e ammoniaca – sospetti frammenti chimici di molecole più complesse con quattro dei sei elementi chiave della vita: carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno.

“Encelado è un mondo oceanico dove abbiamo abbastanza dati per andare oltre a chiedere se è abitabile”, ha detto Shannon MacKenzie, uno scienziato planetario presso APL. “Su Encelado, siamo pronti a fare il passo successivo e cercare segni di vita.”

MacKenzie ha recentemente guidato lo sviluppo di un concetto di missione che farebbe proprio questo. Si chiama Enceladus Orbilander, e funzionerebbe proprio come sembra: in parte orbiter, in parte lander. Sei strumenti condurrebbero misurazioni sul materiale raccolto dal pennacchio di Encelado per cercare diverse potenziali biosignature: aminoacidi sinistri e destri, grassi e altri idrocarburi a catena lunga, molecole in grado di immagazzinare informazioni genetiche e persino strutture simili alle cellule.

Come concetto di missione, lo studio Orbilander non identifica specifiche implementazioni di strumenti come quelli che il team di Craft e Bradburne sta producendo, ma include le loro idee concettuali.

“Ci sarà sempre una certa quantità di incertezza nelle misure di ricerca della vita”, ha detto MacKenzie. “Ecco perché avere una buona fase di preparazione del campione, che aiuta a minimizzare il limite di rilevamento, è così importante, e perché avere strumenti come il sequenziatore nanopore, che può offrire sia l’identificazione che la caratterizzazione, sono così critici.”

Con la possibilità di campionare una luna oceanica, il team di Craft e Bradburne sta cercando di determinare quanta acqua è necessaria per rilevare quelle biosignature. E, naturalmente, non è facile. “Pensavo che avremmo potuto andare su questi mondi oceanici, immergere i nostri piedi ed essere in grado di vedere se la vita è lì o no”, ha detto Craft. Ma leggendo le ricerche degli oceanografi, ha imparato che devono filtrare litri d’acqua per cercare prove di vita, anche qui sulla Terra. “È semplicemente incredibile. A causa di tutta quell’acqua là fuori, è così diluita”, ha detto.

Come si fa a raccogliere volumi così grandi di acqua e concentrarli su un altro mondo? Come si fa ad elaborarli in un microchip e vedere se ci sono molecole importanti?

“Ci sono solo un sacco di sfide che non sono state ancora affrontate”, ha detto Craft. Il team continua a lavorare, però. Il mese scorso, hanno eseguito alcuni esperimenti di lavaggio di vari volumi di campioni di aminoacidi diluiti in acqua dell’oceano attraverso il loro chip campione. I risultati iniziali sono promettenti, con il sistema che cattura tutti gli aminoacidi in una gamma di efficienze che saranno riportate in un prossimo articolo scientifico.

Se mai passasse dal concetto alla piattaforma di lancio, Enceladus Orbilander non si alzerebbe fino alla metà degli anni 2030, dando al team di Craft e Bradburne un po’ di tempo per sviluppare ulteriormente i suoi strumenti. Ma anche se la tecnologia non è pronta per quella missione, Ohiri, come altri del team, rimane ottimista che la tecnologia un giorno volerà.

“La mia speranza è che quando la tecnologia sarà abbastanza matura, ci sarà una missione in programma e noi saremo pronti”, ha detto.