ByJeremy Rehm
/ Published Dec 8, 2020
Toen ze in 1976 het oppervlak van Mars bereikten, landden NASA’s twee Viking landers met een zachte plof. Met een lengte van 2 meter, een lengte van 2 meter en een gewicht van ongeveer 1.300 kilo zagen deze ruimtevaartuigen – de eerste Amerikaanse missie die met succes op Mars landde – eruit als uit de kluiten gewassen pissebedden.
Wat voor hen lag was een roestige, stoffige woestenij bezaaid met rotsen onder een geeloranje lucht, ver verwijderd van de bruisende buitenaardse metropolen die sciencefictionschrijvers en -films hadden afgeschilderd. Wetenschappers hadden nooit buitenaardse steden verwacht, maar ze vermoedden wel dat kolonies van microbiële buitenaardse wezens op de loer lagen in de bodem van Mars. De landers waren de eerste die op zoek gingen naar buitenaards leven.
Beide landers waren uitgerust met drie geautomatiseerde instrumenten voor het opsporen van leven, die elk een monster van het oppervlak incubeerden en de lucht erboven bestudeerden op moleculen zoals kooldioxide, dat zou kunnen wijzen op fotosynthese, of methaan, dat microben zouden kunnen produceren als ze voedingsstoffen metaboliseren die de landers verstrekten.
Een van de instrumenten kreeg een positief signaal. Het gelabelde vrijgave-experiment, dat radioactieve koolstof volgt terwijl het zich verplaatst van verteerbare suiker naar verteerde kooldioxide, zag het verraderlijke teken van levende, metaboliserende microben.
De twee andere experimenten, echter, deden dat nooit.
Afbeelding bijschrift: Toen NASA’s Viking landers het oppervlak van Mars in beeld brachten, toonden ze een dor land van rotsen en stof.
Image credit: NASA/JPL/Johns Hopkins APL
Die misschien-ontdekking bracht een debat op gang dat tot op de dag van vandaag voortduurt, met voorstanders die volhouden (en nieuw onderzoek dat suggereert) dat alleen iets levends dat positieve signaal zou kunnen hebben gemaakt.
Maar zoals velen in de wetenschappelijke gemeenschap, blijft Kate Craft, een planeetwetenschapper aan het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, sceptisch. “Het was een goed experiment, maar het was zeer beperkt in wat het in staat was om te detecteren,” verklaarde ze.
Voor een deel gingen de Viking-experimenten ervan uit dat microben op Mars de voedingsstoffen zouden eten die we hen aanreikten, wat niet noodzakelijk waar is. En zelfs als ze dat wel deden, is het nog steeds moeilijk om maar één bewijslijn te geloven. “
Meer problematisch is echter dat wetenschappers destijds niet wisten dat het Marsoppervlak bedekt is met perchloraatzouten, mineralen die chloor en zuurstof bevatten, waarvan uit experimenten is gebleken dat ze organische moleculen en microben kunnen vernietigen wanneer ze worden verhit – waarbij chloorgassen vrijkomen, die de Viking-landers inderdaad hebben gedetecteerd. Niemand wist dat de zouten er waren tot 2008, toen NASA’s Phoenix lander ze ontdekte.
Voor Craft en haar collega Chris Bradburne, een bioloog en senior wetenschapper bij APL, onderstreepten de Viking missies de monsterlijke uitdaging waar wetenschappers voor staan om definitief te zeggen dat we leven hebben gevonden op een andere wereld. Het soort, de zekerheid en de herhaalbaarheid van dat bewijs zijn allemaal van belang. Sinds de Viking-missies zijn er al heel wat ruimteschepen teruggekeerd naar Mars, op zoek naar organische moleculen, die voornamelijk koolstof, waterstof en zuurstof bevatten. Ze worden vaak geassocieerd met leven, maar zijn geen zekere indicatoren ervan.
Maar de onthulling over zouten op Mars benadrukte een meer saillant, zij het ietwat inspiratieloos, punt: De kansen om tekenen van leven te ontdekken met zelfs de beste technologie zijn waarschijnlijk klein als je niet eerst je monsters zuivert.
Onderzoekers hebben zich gefixeerd op de detectiekant van de vergelijking, maar de monstervoorbereiding – een eerdere stap in de workflow – is meestal genegeerd. Zouten zijn bijzonder zorgwekkend, omdat ze de analyse kunnen bemoeilijken, en de belangrijkste doelen voor toekomstige levensdetectiemissies zijn plaatsen met zoute, vloeibare wateroceanen onder hun oppervlak – werelden zoals Jupiters maan Europa en Saturnus’ maan Enceladus.
Sinds 2013 hebben Bradburne, Craft en een team van onderzoekers bij APL nieuwe microfluïdische systemen ter grootte van een handpalm ontwikkeld voor toekomstige ruimtevaartuigen om die uitdaging aan te gaan. Ze kunnen moleculen zuiveren en isoleren die sterke indicatoren van leven zouden kunnen zijn-aminozuren, eiwitten, RNA, DNA.
“Het is veel sexier om aan de detector te denken,” zei Bradburne. “Maar als je je monsters niet kunt prepareren en optimaliseren zodat je sensor kan detecteren wat je zoekt, heb je er niets aan.”
Maar het team gaat nog een stap verder met een van hun instrumenten: een sequencer voor de ruimte. Het zou niet alleen lange-keten moleculen zoals DNA en RNA prepareren en concentreren, maar ook hun volledige genetische code direct op de plaats van bestemming eruit pompen. Bovendien zou het deze moleculen detecteren, of ze nu lijken op aards DNA en RNA of niet, waardoor het mogelijk wordt om leven met een geheel eigen oorsprong te detecteren.
“Het zou je een heel overtuigend signaal kunnen geven,” zei Bradburne.
De schoonmaakmachines
Craft en Bradburne hadden al in 2014 overwogen om een monsterbereidingschip voor DNA en RNA te maken, voortbouwend op het werk dat Bradburne een paar jaar eerder was begonnen.
Voor zover leven indicatoren gaan, zitten DNA en RNA relatief hoog op de lijst, omdat beide de ruggengraat vormen waaruit al het aardse leven is geëvolueerd. Maar juist om die reden stonden veel wetenschappers sceptisch tegenover het zoeken naar DNA en RNA elders in het zonnestelsel.
Om genetisch materiaal informatie te laten doorgeven tussen generaties, zo redeneerden zij, zouden organismen al tot op zekere hoogte geëvolueerd moeten zijn; een tamelijk onwaarschijnlijke mogelijkheid, aldus Craft. Daarom beschouwden veel wetenschappers DNA en RNA als minder belangrijke biosignaturen en gaven in plaats daarvan prioriteit aan andere bouwstenen van het leven, zoals aminozuren – de bestanddelen van alle eiwitten en enzymen. “Het leven zou niet ‘zo geëvolueerd’ hoeven te zijn voor die signaturen,” legde Craft uit.
Dus schakelde het team over op het maken van een miniatuur monstervoorbereidingssysteem voor aminozuren. APL-chemicus Jen Skerritt, chemisch ingenieur Tess Van Volkenburg, en later Korine Ohiri, een expert in microfluïdica, sloten zich bij het team aan. Sinds 2018 hebben ze het ontwerp geleidelijk geperfectioneerd.
Met ongeveer 4 inch breed, 4 inch lang, en 2 inch hoog, past het systeem gemakkelijk in de palm van je hand. Toch is het uitgerust met alle pompen en kleppen die nodig zijn om een monster door te stoten. Het actieve gebied van het nieuwste ontwerp is gevuld met minuscule bolletjes die aminozuren aantrekken in zure oplossingen, terwijl zouten en andere rommel aan de andere kant naar buiten stromen in een afvaldepot. Nadat het monster is gepasseerd, worden de aminozuren met een basische oplossing van de korrels gestript en naar de detector gestuurd die aan de chip is bevestigd.
Het ontwerpen van een prep-systeem voor de ruimte is niet gemakkelijk geweest, zei Ohiri. De hoeveelheid beschikbare energie is slechts een fractie van wat in het lab kan worden gebruikt, en de materialen moeten bestand zijn tegen potentieel extreme temperatuur en straling. Het team maakt het aminozuurzuiveringssysteem momenteel van gangbare rapid prototyping materialen, zoals harsen met hoge resolutie die worden gebruikt bij 3D-printen, maar het blijft een uitdaging om het materiaal geschikt te maken voor de ruimte en tegelijkertijd de prestaties te behouden, aldus Ohiri. “Maar dat is juist het spannende aan dit project: Er zijn zoveel aspecten die echt aan de spits staan.”
Afbeelding bijschrift: Hoe is DNA te isoleren en te sequensen in de ruimte: Begin met een verstoringsfase, waarbij geluid of andere golven worden gebruikt om magnetisch aantrekkelijke bolletjes te pulseren zodat ze sporen of cellen openbreken en het DNA naar buiten laten komen. Het DNA hecht zich aan de korrels, die vervolgens tijdens de zuiveringsstap naar een magneet worden getrokken. De korrels worden vervolgens gewassen om het DNA te verwijderen, dat vervolgens naar een nanopore-sequencer wordt gestuurd. De sequencer leest dan de keten van moleculen waaruit DNA bestaat – C, A, T en G. Deze opzet zou theoretisch moeten werken voor elke lange-keten molecule zoals DNA, met inbegrip van RNA, eiwitten, of iets geheel nieuws.
Image credit: Johns Hopkins APL
Het nadeel met aminozuren is echter dat ze overal zijn – van meteorieten tot kometen tot interstellaire wolken. Bepaalde aanwijzingen kunnen aangeven of ze biologisch zijn of niet. Aminozuren bestaan in twee vormen die elkaars spiegelbeeld zijn: de ene is linksdraaiend, de andere rechtsdraaiend. Door een toevalstreffer in de evolutie gebruikt al het leven op aarde alleen de linkshandige aminozuren. Dus als het ene type meer voorkomt dan het andere in een monster van een andere wereld, zou dat een teken van leven kunnen zijn.
Bradburne gelooft het echter niet helemaal. “Hoe weet je dat het niet gewoon besmetting is?” vroeg hij, bijvoorbeeld van een meeliftende microbe die op een of andere manier ontsnapt is aan het grondige reinigingsproces dat alle ruimtevaartuigen ondergaan voor ze gelanceerd worden. Het opsporen van leven in het heelal, zegt hij, komt niet alleen neer op het opsporen van de moleculen die je zoekt, maar ook op het minimaliseren van de kans op een vals-positief en ervoor zorgen dat je experimenten herhaalbaar zijn.
DNA en RNA zijn niet per se beter voor het aanpakken van die problemen, tenzij je ze kunt sequentiëren. En daarom zag het team, toen nanopore-sequencers werden uitgevonden, een nieuwe kans.
De weg naar sequencing
Nanopore-sequencers zijn kleine machines ter grootte van een thumb-drive die een streng DNA of RNA kunnen nemen en de reeks moleculaire bouwstenen kunnen aflezen waaruit die streng is opgebouwd. De streng beweegt door een porie die slechts een miljardste van een inch breed is en waar een elektrisch veld doorheen gaat. Elke nucleotide verstoort op unieke wijze dat elektrische veld terwijl het door de porie beweegt. En een computer kan die verstoring interpreteren en precies zeggen welke nucleotide er zojuist doorheen is gegaan.
Naast het feit dat ze de ideale grootte hebben voor een ruimteschip, zei Bradburne, zouden nanopore-sequencers in theorie in staat moeten zijn om elk type lange-keten molecuul te interpreteren dat erdoorheen komt – DNA, RNA, eiwitten, of een onbekend XNA. Maar ze verkleinen ook de kans dat een signaal niet gewoon een verstekeling van een microbe is. Organismen op aarde hebben herkenbare strengen, zoals de strengen die coderen voor specifieke enzymen en andere eiwitten die veel voorkomen bij levende wezens op aarde. Dus als sequenties lijken overeen te komen met die vaak hier op aarde worden gevonden, zijn ze waarschijnlijk vals-positief.
“De wetenschappelijke opbrengst zou gewoon geweldig zijn,” zei Bradburne.
Er zijn echter een heleboel redenen waarom de huidige nanopore-sequencers nog niet klaar zijn voor de ruimte. Ten eerste zijn ze gemaakt van materialen die niet bestand zijn tegen jarenlange temperaturen onder het vriespunt en straling; zelfs op aarde gaan ze maar ongeveer zes maanden mee. Nog problematischer is dat ze eiwitten van stafylokok bacteriën gebruiken voor de porie, waardoor bezorgdheid ontstaat over het per ongeluk introduceren van biologische producten van de Aarde.
Die uitdagingen hebben het team gedwongen om in plaats daarvan te beginnen met de ontwikkeling van een nieuwe sequencer en bijbehorend monstervoorbereidingssysteem.
“Het idee is dat we uiteindelijk een volledig instrument zullen hebben om het monster voor te bereiden zoals we dat willen en het vervolgens te analyseren,” zei Craft.
De monstervoorbereidingscomponent heeft het afgelopen jaar aanzienlijke vooruitgang geboekt. Het team probeert geluidsgolven en andere verstorende methoden om cellen en sporen open te breken die het genetisch materiaal kunnen bevatten en magnetische kralen om vervolgens de lange-keten moleculen vast te houden.
Maar het ontwerpen van de nanopore-sequencer is een grotere uitdaging geweest. Een synthetisch platform met nanoporiën erin geperst is het meest ideaal, maar hoe de grootte van de poriën te regelen en ze zo te maken dat ze het molecuul vertragen zodat de computer elk molecuul in de keten kan registreren terwijl het passeert, blijft onzeker. Een Canadese medewerker stelde zelfs voor om de poriën te maken wanneer ze op hun bestemming aankomen om problemen met de houdbaarheid te beperken. “Ik weet niet zeker hoe we dat zouden doen, maar niets is op dit moment van tafel,” zei Bradburne.
Ondanks de obstakels heeft het team geen tijd verspild aan het praten over hun hulpmiddel met onderzoekers die conceptmissies ontwikkelen. “We praten erover wanneer we kunnen,” zei Craft, vooral om mensen te laten weten dat het een opkomend, levensvatbaar instrument is.
En één recent concept, een missie naar Saturnus’ maan Enceladus, bevat iets dat er sterk op lijkt.
Een andere zoektocht naar leven
Met een breedte van 314 mijl – ongeveer de breedte van Pennsylvania – en gemiddeld negen keer verder van de zon dan de aarde, had Enceladus slechts een bevroren bal ijs moeten zijn.
Maar in 2006 onthulde NASA’s Cassini-missie een verleidelijke ontdekking: een pluim van waterdamp en ijs die spuwt uit vier spelonkachtige “tijgerstrepen” op de zuidpool van Enceladus. Verschillende metingen wijzen erop dat de breuken rechtstreeks verband houden met een wereldwijde oceaan van vloeibaar water onder het oppervlak. De interactie tussen de oceaan en de rotskern van de maan lijkt op die van de hydrothermale diepzeebronnen op aarde, waar bijna 600 diersoorten leven en gedijen.
Image credit: Johns Hopkins APL
Toen Cassini door de pluimen trok, vond het moleculen zoals methaan, koolstofdioxide en ammoniak – vermoedelijke chemische fragmenten van complexere moleculen met vier van de zes elementen die essentieel zijn voor leven: koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof.
“Enceladus is een oceaanwereld waar we genoeg gegevens hebben om verder te gaan dan de vraag of het bewoonbaar is,” zei Shannon MacKenzie, een planeetwetenschapper bij APL. “Bij Enceladus zijn we klaar om de volgende stap te zetten en te zoeken naar tekenen van leven.”
MacKenzie leidde onlangs de ontwikkeling van een missieconcept dat precies dat zou doen. Het heet de Enceladus Orbilander, en het zou precies zo werken als het klinkt: deels orbiter, deels lander. Zes instrumenten zouden metingen uitvoeren op materiaal verzameld uit de pluim van Enceladus om te zoeken naar verschillende potentiële biosignaturen – links- en rechtsdraaiende aminozuren, vetten en andere lange-keten koolwaterstoffen, moleculen die in staat zijn genetische informatie op te slaan, en zelfs celachtige structuren.
Als missieconcept identificeert de Orbilander-studie geen specifieke instrumentimplementaties zoals die Craft en Bradburne’s team aan het produceren zijn, maar het omvat wel hun conceptuele ideeën.
“Er zal altijd een zekere mate van onzekerheid zijn in zoek-voor-leven-metingen,” zei MacKenzie. “Daarom is een goede voorbehandeling van het monster, die de aantoonbaarheidsgrens helpt te minimaliseren, zo belangrijk, en daarom zijn instrumenten zoals de nanopore sequencer, die zowel identificatie als karakterisering kan bieden, zo kritisch.”
Met de kans om een oceaanmaan te bemonsteren, probeert het team van Craft en Bradburne te bepalen hoeveel water er nodig is om die biosignaturen te detecteren. En dat is natuurlijk niet eenvoudig. “Ik dacht dat we naar deze oceaanwerelden konden gaan, onze tenen erin konden steken en konden zien of er leven was of niet,” zei Craft. Maar toen ze onderzoek van oceanografen las, kwam ze erachter dat ze liters water moeten filteren om naar sporen van leven te zoeken – zelfs hier op aarde. “Het is gewoon verbazingwekkend. Omdat al dat water daar is, is het zo verdund,” zei ze.
Hoe verzamel je zulke grote hoeveelheden water en concentreer je die op een andere wereld? Hoe verwerk je ze in een microchip en kijk je of er belangrijke moleculen in zitten?
“Er zijn gewoon een heleboel uitdagingen die nog niet zijn aangepakt,” zei Craft. Maar het team blijft doorwerken. Vorige maand voerden ze een aantal experimenten uit waarbij verschillende hoeveelheden verdunde aminozuurmonsters uit oceaanwater door hun monsterchip werden gespoeld. De eerste resultaten zijn veelbelovend: het systeem vangt alle aminozuren met een efficiëntie die zal worden gerapporteerd in een wetenschappelijk artikel.
Als Enceladus Orbilander ooit van concept naar lanceerplatform wordt gebracht, zal het niet voor het midden van de jaren 2030 opstijgen, waardoor Craft en Bradburne’s team wat tijd hebben om hun instrumenten verder te ontwikkelen. Maar zelfs als de technologie niet klaar is voor die missie, blijft Ohiri, net als anderen in het team, optimistisch dat de technologie op een dag zal vliegen.
“Mijn hoop is dat tegen de tijd dat de technologie rijp genoeg is, er een missie in de boeken zal staan, en we zullen er klaar voor zijn,” zei ze.
Posted in Wetenschap+Technologie
Tagged toegepast natuurkundig laboratorium, nasa, buitenaards leven, outer space, saturnus