Surer signs of life

1976年に火星の表面に到達したNASAの2機のバイキング着陸機は、穏やかな音を立てて着地しました。 高さ7フィート、長さ10フィート、重さ約1,300ポンドのこれらの宇宙船は、火星表面への着陸に成功した最初の米国のミッションで、大きくなりすぎたダンゴムシのように見えた。

彼らの前にあったのは、SF作家や映画が描いたにぎやかな異星の大都市とは程遠い、褐色の空の下に岩を散りばめた錆とほこりの荒れ地であった。 科学者たちは、異星人の都市を予想してはいなかったが、火星の土壌に微生物エイリアンのコロニーが潜んでいるかもしれないと考えていたのである。

両ランダーは3つの自動生命検出装置を備えており、それぞれが表面からのサンプルを培養して、光合成を示す二酸化炭素や、微生物がランダーが提供する栄養分を代謝して生成するかもしれないメタンなどの分子を上空から研究していたのです。 ラベル付き放出実験では、消化可能な砂糖から消化された二酸化炭素へと移動する放射性炭素を追跡し、生きて代謝する微生物の兆候を確認しました。

しかしながら、他の2つの実験は、決してそうなりませんでした。 NASA のバイキング着陸船で火星の表面を撮影したとき、岩と塵の不毛の地が映し出されました。

しかし、科学界の多くの人々と同様に、ジョンズ・ホプキンス応用物理学研究所の惑星科学者であるケイト・クラフトは、懐疑的なままです。 「

ひとつには、バイキングの実験では、火星の微生物が、私たちが提供した栄養分を食べてくれると仮定していましたが、これは必ずしも正しくありません。 また、仮にそうであったとしても、たった1行の証拠を信じるのは難しいことです。 「しかし、もっと問題なのは、当時の科学者が、火星の表面が過塩素酸塩で覆われていることを知らなかったことです。これは、塩素と酸素を含む鉱物で、加熱すると有機分子や微生物を破壊し、塩素ガスが発生することが実験で分かっています。

クラフトと彼女の同僚でAPLの生物学者兼上級科学者のクリス・ブラッドバーンにとって、バイキングミッションは、他の世界で生命を発見したと断定するために科学者が直面する途方もない挑戦を強調したのです。 その証拠の種類、確実性、再現性のすべてが重要なのです。 バイキング以来、数多くの探査機が火星に戻り、炭素、水素、酸素を主に含む有機分子を探してきました。

しかし、火星の塩分についての暴露は、やや刺激的ではないものの、より顕著な点を浮き彫りにしています。 研究者たちは、方程式の検出側に固執していますが、ワークフローの初期段階であるサンプル調製はほとんど無視されてきました。 塩分は分析を困難にするため、特に心配です。将来の生命検出ミッションの主なターゲットは、木星の衛星エウロパや土星の衛星エンケラドゥスなど、表面に塩分を含んだ液体の水の海がある場所です。 アミノ酸、タンパク質、RNA、DNA など、生命の強力な指標となり得る分子を精製して分離することができます。

「検出器について考えることは、よりセクシーです」とブラッドバーン氏は言います。 「しかし、サンプルを準備し、センサーが目的のものを検出できるように最適化できなければ、何の役にも立ちません」

しかし、チームは、宇宙用シーケンサーという装置の1つをさらに押し進めようとしています。 それは、DNAやRNAのような長鎖分子を準備し、濃縮するだけでなく、目的地でその全遺伝コードを送り出すというものだ。 さらに、これらの分子が地球上の DNA や RNA と同じかどうかにかかわらず検出され、まったく別の起源を持つ生命を検出する能力を提供することになるのです。

洗浄機

クラフトとブラッドバーンは、ブラッドバーンが数年前に開始した作業を基に、2014年にDNAとRNA用のサンプル準備チップを作ることを検討していました。

遺伝物質が世代間で情報を受け継ぐためには、生物はすでにある程度進化していなければならないと彼らは主張しましたが、その可能性はかなり低いとクラフトは述べています。 そのため、多くの科学者は、DNAやRNAはそれほど重要なバイオシグネチャーではないと考え、代わりに、すべてのタンパク質や酵素の構成要素であるアミノ酸など、生命の他の構成要素を優先したのです。 「そのため、研究チームは、アミノ酸の小型サンプル調製システムを作ることに切り替えました。 APLの化学者ジェン・スケリット、化学エンジニアのテス・ヴァン・ヴォルケンブルグ、そして後にマイクロ流体工学の専門家であるコリネ・オヒリもチームに加わりました。 2018年以来、彼らは徐々に設計を完成させてきました。

幅約4インチ、長さ約4インチ、高さ約2インチで、このシステムは手のひらに簡単に収まることができます。 しかし、サンプルを押し出すのに必要なすべてのポンプとバルブが装備されています。 最新型の活性領域は小さなビーズで満たされており、酸性溶液中のアミノ酸を引き寄せ、塩分やその他の汚物は反対側の廃棄物置き場に流れ続ける。 試料が通過した後、アミノ酸は塩基性溶液でビーズから剥がされ、チップに取り付けられた検出器へと送られます。 利用可能な電力量は研究室で使用できる量の何分の1かであり、材料は極端な温度や放射線に耐える必要がある。 研究チームは現在、3Dプリントに使われる高解像度樹脂など、一般的なラピッドプロトタイピング材料を使ってアミノ酸精製システムを作っているが、その性能を維持しながら宇宙で使える材料にすることは、依然として困難だと大入研究員は言う。 「でも、そこがこのプロジェクトの面白いところです。 2286>

しかしアミノ酸のトレードオフとして、それらは隕石から彗星、星間雲に至るまで、どこにでも存在することが挙げられます。 ある種の手がかりは、それが生物学的なものかどうかを示すことができます。 アミノ酸には、左利き用と右利き用の2種類がある。 進化の過程で、地球上のすべての生物は左利き用のアミノ酸を使うようになりました。 しかし、ブラッドバーン氏は、それを完全には信じていません。 「例えば、すべての宇宙船が打ち上げ前に行う徹底的な洗浄を、ヒッチハイクしていた微生物が逃れてきたというようなことです。 宇宙で生命を検出するには、探している分子を検出するだけでなく、誤検出の可能性を最小限に抑え、実験が再現可能であることを確認することが重要だと彼は言います。 ナノポア・シーケンサーが発明されたとき、研究チームは新しい機会を得ました。

シーケンサーへの道

ナノポア・シーケンサーは、DNAまたはRNAの鎖を取り、それが構成している一連の分子構成ブロックを読み出すことのできる親指ドライブサイズの小さな機械です。 その鎖は、幅が1インチの数十億分の1の孔を通り、電界を通過することができます。 各ヌクレオチドは、孔を通過する際に電界を独自に乱します。 ブラッドバーン氏によれば、ナノポアシーケンサーは宇宙船にとって理想的なサイズであることに加え、理論的には、DNA、RNA、タンパク質、あるいは未知のXNAなど、通過するあらゆる種類の長鎖分子を解釈することができるはずだとのことです。 しかし、シグナルが単なる密航微生物でない可能性も低くなる。 地球上の生物は、特定の酵素をコードする鎖や、地球上の生物に共通するタンパク質をコードする鎖など、認識できる鎖を持っている。 そのため、配列が地球で頻繁に見られるものと一致するように見える場合、それは偽陽性である可能性が高い。

「科学的リターンは驚くばかりです」と、ブラッドバーンは言う。 1つは、氷点下の温度や放射線に何年も耐えられない材料で作られていることで、地球上でも半年程度しか持ちません。 さらに問題なのは、孔にスタフバクテリアのタンパク質を使用していることで、誤って地球から生物学的製品を持ち込んでしまう懸念がある。

それらの課題により、チームは代わりに新しいシーケンサーと付随するサンプル準備システムの開発を始めることを余儀なくされました。

「最終的には、私たちが望むようにサンプルを準備し、それを分析する完全な装置を持つという考えです」とCraftは言います。 研究チームは、音波やその他の破壊的な方法で、遺伝物質を含む可能性のある細胞や胞子を破壊し、磁気ビーズで長鎖分子を保持することを試みている。 ナノ細孔を押し込んだ合成プラットフォームが最も理想的ですが、細孔の大きさを制御し、分子を減速させて、コンピュータが鎖状の各分子を通過する際に登録できるようにするにはどうすればよいかは、まだ不明です。 カナダの共同研究者は、貯蔵寿命の問題を軽減するために、目的地に到着してから孔をあけることを提案した。 ブラッドバーン氏は、「どのようにそれを行うかはわかりませんが、今すぐには無理です」と述べています。

障害にもかかわらず、チームは、コンセプトミッションを開発する研究者とそのツールについて話すのに時間を無駄にしませんでした。 「私たちは可能な限りそれを話しています」とCraft氏は言い、主に、それが近日中に実現可能な装置であることを人々に知らせるためです。

そして最近のコンセプトの1つ、土星の衛星Enceladusへのミッションは、それに非常に似たものを含んでいます。

もうひとつの生命探査

ペンシルベニア州ほどの幅で、地球より平均9倍も太陽から遠いエンケラドゥスは、ただの氷の球になるはずでした。 この断層は、地表の下にある地球規模の水の海に直接つながっていることが、さまざまな測定から判明した。 この海は、600種近い動物が生息し繁栄している地球の深海熱水噴出孔と同様の方法で、月の岩石質のコアと相互作用している可能性があります。

カッシーニは噴煙を通過するとき、メタン、二酸化炭素、アンモニアなどの分子、生命にとって重要な6つの元素のうちの4つ（炭素、水素、窒素、酸素）を持つより複雑な分子の断片と思われる化学成分を発見したのです。

「エンケラドゥスは、それが居住可能かどうかを問う以上の十分なデータを持つ海洋世界です」と、APLの惑星科学者、シャノン・マッケンジー氏は言います。 「エンケラドゥスでは、次のステップに進み、生命の兆候を探す準備ができています」

マッケンジー氏は最近、まさにそれを実現するミッション コンセプトの開発を主導しました。 エンケラドス・オービランダーと呼ばれるこのミッションは、その名の通り、一部は軌道上、一部は着陸機として運用されます。 エンケラドスのプルームから採取した物質を6つの機器で測定し、左右のアミノ酸、脂肪、その他の長鎖炭化水素、遺伝情報を保存できる分子、さらには細胞のような構造など、いくつかの潜在的バイオシグネチャーを探索する。

ミッションのコンセプトとして、オービランダーの研究は、クラフトとブラッドバーンのチームが作成しているような特定の機器の実装を特定しませんが、彼らの概念的なアイデアを含んでいます。 そのため、検出限界を最小化するのに役立つ優れたサンプル前処理段階を持つことが非常に重要であり、同定と特性解析の両方を提供できるナノポア・シーケンサーのような機器を持つことが非常に重要である理由です」と、マッケンジー氏は述べています。”

海の月をサンプリングできる可能性があるため、クラフトとブラッドバーンのチームは、それらのバイオシグネチャーを検出するためにどれくらいの水が必要かを見極めようとしています。 そしてもちろん、それは簡単なことではありません。 「私は、海の世界に行って、足を浸して、そこに生命がいるかどうかを見ることができると思っていました」と、クラフトは言う。 しかし、海洋学者の研究を読むと、地球上でも生命の痕跡を探すために何リットルもの水を濾過しなければならないことがわかる。 「これはすごいことです。 と彼女は言います。

どのようにして、これほど大量の水を集め、それを別の世界に濃縮するのでしょうか。

「まだ対処されていない課題が山積みです」と、クラフト氏は述べました。 とはいえ、チームは努力を続けています。 先月、彼らは海水に混ぜた様々な量の希薄なアミノ酸サンプルをサンプルチップに流し込む実験を行いました。 最初の結果は有望で、システムはすべてのアミノ酸をさまざまな効率で捕捉し、近々発表される科学論文で報告される予定です。

コンセプトから発射台に移動した場合、Enceladus Orbilanderは2030年代半ばまで離陸しないため、CraftとBradburneのチームはそのツールをさらに開発する時間があります。 しかし、たとえ技術がそのミッションに間に合わなかったとしても、チームの他のメンバー同様、オヒリ氏は、技術がいつの日か飛行することに楽観的であり続けます。