Surer signs of life

Quando chegaram à superfície de Marte em 1976, os dois terrestres Viking da NASA tocaram com um leve baque. Com 7 pés de altura, 3 metros de comprimento e pesando cerca de 1.300 libras, estas naves espaciais – a primeira missão dos EUA a aterrissar com sucesso na superfície marciana – pareciam insetos com pílulas crescidas demais.

O que havia diante deles era uma terra enferrujada e poeirenta, repleta de pedras sob um céu marrom-alaranjado, muito longe dos escritores e filmes de ficção científica das metrópoles alienígenas. Os cientistas nunca esperaram cidades alienígenas, mas suspeitaram que colônias de alienígenas microbianos pudessem estar à espreita em solo marciano. Os terrestres foram os primeiros a procurar por vida extraterrestre.

Alguns terrestres foram equipados com três instrumentos automáticos de detecção de vida, cada um dos quais incubou uma amostra da superfície, estudando o ar acima para moléculas como dióxido de carbono, que poderia indicar fotossíntese, ou metano, que os micróbios poderiam produzir enquanto metabolizam os nutrientes que os terrestres forneceram.

Um dos instrumentos recebeu um sinal positivo. O experimento de liberação rotulada, rastreando o carbono radioativo enquanto ele se movia do açúcar digerível para o dióxido de carbono digerido, viu o sinal do tell-tale dos micróbios vivos, metabolizadores.

Os outros dois experimentos, entretanto, nunca fizeram.

Image caption: Quando os terrestres Viking da NASA imitaram a superfície de Marte, mostraram uma terra árida de rochas e poeira.

Crédito de imagem: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Que talvez a descoberta tenha desencadeado um debate que persiste ainda hoje, com proponentes insistindo (e novas pesquisas sugerindo) que apenas algo vivo poderia ter feito esse sinal positivo.

Mas como muitos na comunidade científica, Kate Craft, uma cientista planetária do Laboratório de Física Aplicada Johns Hopkins, permanece céptica. “Foi uma boa experiência, mas foi muito limitada no que foi capaz de detectar”, disse ela.

Para um, as experiências Viking assumiram que os micróbios em Marte comeriam os nutrientes que lhes fornecemos, o que não é necessariamente verdade. E mesmo que o fizessem, ainda é difícil acreditar em apenas uma linha de evidência. “Nós sempre queremos ter positivos em múltiplas assinaturas”, disse ela.

Mais problemático, no entanto, é que os cientistas na época não sabiam que a superfície de Marte está coberta de sais de perclorato, minerais contendo cloro e oxigênio que as experiências mostram que podem destruir moléculas orgânicas e micróbios quando aquecidos produzindo gases clorados, que os terrestres Viking de fato detectaram. Ninguém sabia que os sais estavam lá até 2008, quando o aterrador Phoenix da NASA os descobriu.

Para Craft e seu colega Chris Bradburne, biólogo e cientista sênior da APL, as missões Viking ressaltaram o monstruoso desafio que os cientistas enfrentam para dizer definitivamente que encontramos vida em outro mundo. O tipo, a certeza e a repetibilidade dessas provas são importantes. Numerosas naves espaciais desde a aterragem dos Vikings voltaram a Marte, à procura de moléculas orgânicas, que contêm principalmente carbono, hidrogénio e oxigénio. Elas são comumente associadas com a vida, mas não indicadores seguros dela.

Mas a revelação sobre os sais em Marte destacou um ponto mais saliente, embora um pouco pouco pouco pouco inspirador: As chances de detectar sinais de vida, mesmo com a melhor tecnologia, são provavelmente menores se você não purificar suas amostras primeiro.

Os pesquisadores se fixaram no lado da detecção da equação, mas o preparo da amostra – uma etapa anterior do fluxo de trabalho – foi ignorado em sua maioria. Os sais são particularmente preocupantes, uma vez que podem dificultar a análise, e os alvos principais para futuras missões de detecção de vida são lugares com oceanos de água salgada e líquida sob suas superfícies – mundos como a lua de Júpiter Europa e a lua de Saturno Enceladus.

Desde 2013, Bradburne, Craft, e uma equipe de pesquisadores da APL têm desenvolvido novos sistemas microfluídicos do tamanho de uma palma para futuras naves espaciais para enfrentar esse desafio. Eles podem purificar e isolar moléculas que poderiam ser fortes indicadores de aminoácidos de vida, proteínas, RNA, DNA.

“É muito mais sexy pensar sobre o detector”, disse Bradburne. “Mas se você não consegue preparar suas amostras e otimizá-las para que seu sensor possa detectar o que você procura, elas não lhe servem de nada”.

Mas a equipe está empurrando um de seus instrumentos ainda mais longe: um seqüenciador para o espaço. Ele não só prepararia e concentraria moléculas de cadeia longa como DNA e RNA, mas bombearia todo o seu código genético direto para o destino. Além disso, ele detectaria essas moléculas, sejam elas como DNA e RNA terrestres ou não, fornecendo a capacidade de detectar vida com uma origem totalmente separada.

“Isso poderia lhe dar um sinal realmente conclusivo”, disse Bradburne. Você só tem que descobrir como construí-lo.

As máquinas de limpeza

Ofício e Bradburne tinham considerado criar um chip de preparação de amostras para DNA e RNA em 2014, construindo o trabalho que Bradburne começou alguns anos antes.

No que diz respeito aos indicadores de vida, DNA e RNA estão relativamente altos na lista, uma vez que ambos formam a espinha dorsal da qual toda a vida terrestre evoluiu. Mas é exatamente por essa razão que muitos cientistas estavam céticos em procurar DNA e RNA em outros lugares no sistema solar.

Para o material genético passar informações entre gerações, eles argumentaram, os organismos já teriam que evoluir até certo ponto; uma possibilidade bastante improvável, disse Craft. Como tal, muitos cientistas consideraram o DNA e RNA biosassinaturas menos importantes e em vez disso priorizou outros blocos de construção de vida, como aminoácidos – os constituintes de todas as proteínas e enzimas. “A vida não teria que ser ‘como evoluiu’ para essas assinaturas,” Craft explicou.

Então, a equipe trocou engrenagens para fazer um sistema de preparação de amostra miniatura para aminoácidos. A química APL Jen Skerritt, a engenheira química Tess Van Volkenburg, e mais tarde Korine Ohiri, uma especialista em microfluidos, juntaram-se à equipe. Desde 2018, têm vindo a aperfeiçoar gradualmente o design.

Em cerca de 4 polegadas de largura, 4 polegadas de comprimento e 2 polegadas de altura, o sistema pode caber facilmente na palma da mão. No entanto, ele está equipado com todas as bombas e válvulas necessárias para empurrar uma amostra. A região activa do design mais recente é preenchida com pequenos grânulos que atraem aminoácidos em soluções ácidas, enquanto os sais e outras gunk continuam a fluir para fora do outro lado para um depósito de resíduos. Após a passagem da amostra, os aminoácidos são retirados dos grânulos com uma solução básica e enviados para qualquer detector ligado ao chip.

Desenhar um sistema de preparação para o espaço não tem sido fácil, disse Ohiri. A quantidade de energia disponível é frações do que pode ser usado no laboratório, e os materiais precisam suportar temperaturas e radiações potencialmente extremas. A equipe está atualmente fazendo o sistema de purificação de aminoácidos a partir de materiais comuns de prototipagem rápida, como as resinas de alta resolução utilizadas na impressão 3D, mas conseguir que o material seja digno de espaço enquanto mantém seu desempenho, disse Ohiri, continua desafiando. “Mas é isso que é tão excitante neste projeto”: Há tantos aspectos que estão realmente na vanguarda.”

Image caption: Como isolar e sequenciar o ADN no espaço: Comece com uma fase de perturbação, usando som ou outras ondas para pulsar contas magneticamente atraentes para que rachem esporos ou células e deixem o ADN sair. O ADN liga-se às contas, que são depois puxadas para um íman durante a etapa de purificação. As esferas são então lavadas para remover o ADN, que é então enviado para um sequenciador de nanoporos. O seqüenciador então lê a cadeia de moléculas que compõem o DNA-C, A, T, e G. Esta configuração deveria teoricamente trabalhar para qualquer molécula de cadeia longa como DNA, incluindo RNA, proteínas, ou algo inteiramente novo.

Crédito de imagem: Johns Hopkins APL

A troca com aminoácidos, entretanto, é que eles são em todo lugar – de meteoritos a cometas a nuvens interestelares. Certas pistas podem indicar se são biológicas ou não. Os aminoácidos vêm em duas formas que são imagens de espelho um do outro: um considerado canhoto, o outro destro. Através de algum acaso de evolução, toda a vida na Terra usa apenas os aminoácidos canhotos. Assim, por extensão, se um tipo aparece mais do que o outro numa amostra de outro mundo, pode ser um sinal de vida.

Bradburne, no entanto, não o compra completamente. “Como você sabe que não é apenas contaminação?”, perguntou ele, como de um micróbio de carona que de alguma forma escapou do processo de limpeza profunda que todas as naves espaciais passam antes do lançamento. Detectar vida no universo, diz ele, não se resume a detectar as moléculas que você está procurando, mas minimiza as chances de obter um falso positivo e certificar-se de que suas experiências são repetíveis.

DNA e RNA não são necessariamente melhores para abordar esses problemas, a menos que você possa sequenciá-los. E é por isso que, quando os sequenciadores nanoporos foram inventados, a equipa viu uma nova oportunidade.

O caminho para a sequenciação

Sequenciadores nanoporos são máquinas pequenas, do tamanho de um polegar, que podem pegar num fio de ADN ou RNA e ler a série de blocos de construção molecular de que são feitos. O cordão move-se através de um poro que tem apenas bilionésimos de polegada de largura e que tem um campo elétrico passando por ele. Cada nucleotídeo perturba de forma única esse campo eléctrico à medida que se move através do poro. E um computador pode interpretar essa ruptura e dizer exatamente por qual nucleotídeo acabou de passar.

Besidesides sendo o tamanho ideal para uma nave espacial, disse Bradburne, seqüenciadores de nanoporos deveriam, em teoria, ser capazes de interpretar qualquer tipo de molécula de cadeia longa que passe por ADN, RNA, proteínas ou algum XNA desconhecido. Mas eles também diminuem as chances de um sinal não ser apenas um micróbio clandestino. Os organismos de cadeia longa têm filamentos reconhecíveis, como aqueles que codificam enzimas específicas e outras proteínas comuns aos seres vivos na Terra. Portanto, se as sequências parecem coincidir com as frequentemente encontradas aqui na Terra, são provavelmente um falso positivo.

“Os retornos científicos seriam simplesmente incríveis”, disse Bradburne.

Existem muitas razões, no entanto, para que os sequenciadores de nanoporos actuais não estejam prontos para o espaço. Para um, eles são feitos de materiais que não suportam anos de temperaturas e radiação sub-congelantes; mesmo na Terra, eles duram apenas cerca de seis meses. Ainda mais problemático é que eles usam proteínas de bactérias estafilococos para o poro, levantando a preocupação sobre a introdução acidental de produtos biológicos da Terra.

Estes desafios obrigaram a equipa a começar a desenvolver um novo sequenciador e sistema de preparação de amostras.

“A ideia é que, eventualmente, teremos um instrumento completo para preparar a amostra da forma que quisermos e depois analisá-la”, disse Craft.

O componente de preparação de amostras fez progressos significativos ao longo do último ano. A equipe está tentando ondas sonoras e outros métodos disruptivos para quebrar células abertas e esporos que podem abrigar o material genético e contas magnéticas para depois se agarrar às moléculas de cadeia longa.

Mas projetar o seqüenciador de nanoporos tem sido mais desafiador. Uma plataforma sintética com nanoporos pressionados nela é a mais ideal, mas como controlar o tamanho dos poros e torná-los mais lentos para que o computador possa registrar cada molécula da cadeia à medida que ela passa permanece incerta. Um colaborador canadense até sugeriu fazer os poros quando eles chegam ao destino para mitigar os problemas com a vida útil. “Não tenho certeza de como faríamos isso, mas nada está fora da mesa agora”, disse Bradburne.

Apesar dos obstáculos, a equipe não perdeu tempo em falar sobre sua ferramenta com pesquisadores desenvolvendo missões conceituais. “Nós falamos sobre isso quando podemos”, disse Craft, principalmente para que as pessoas saibam que é um instrumento viável.

E um conceito recente, uma missão à lua de Saturno Enceladus, inclui algo muito semelhante a ela.

Outra busca pela vida

A 314 milhas de largura sobre a largura da Pensilvânia-e em média nove vezes mais longe do Sol que a Terra, o Enceladus deveria ter sido apenas uma bola de gelo congelada.

Mas em 2006, a missão Cassini da NASA revelou uma descoberta tentadora: uma pluma de vapor de água e gelo vomitando de quatro “listras de tigre” cavernosas no pólo sul do Enceladus. Várias medidas indicam que as falhas se ligam diretamente a um oceano de água líquida global sob a superfície. O oceano pode estar a interagir com o núcleo rochoso da lua de uma forma semelhante às aberturas hidrotermais do mar profundo da Terra, onde vivem e prosperam cerca de 600 espécies animais.

Crédito de imagem: Johns Hopkins APL

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Como Cassini passou pelas plumas, encontrou moléculas como metano, dióxido de carbono, e fragmentos químicos suspeitos de amônia de moléculas mais complexas com quatro dos seis elementos chave para a vida: carbono, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio.

“Enceladus é um mundo oceânico onde temos dados suficientes para ir além de perguntar se é habitável”, disse Shannon MacKenzie, uma cientista planetária da APL. “No Enceladus, estamos prontos para dar o próximo passo e procurar por sinais de vida”

MacKenzie recentemente liderou o desenvolvimento de um conceito de missão que faria exatamente isso. Chama-se Enceladus Orbilander, e funcionaria como soa: part-orbiter, part-lander. Seis instrumentos conduziriam medições em material recolhido da pluma do Enceladus para procurar várias bioassinaturas potenciais – aminoácidos, gorduras e outros hidrocarbonetos de cadeia longa, moléculas capazes de armazenar informação genética, e até mesmo estruturas semelhantes a células.

Como conceito de missão, o estudo Orbilander não identifica implementações de instrumentos específicos como aqueles que a equipe de Craft e Bradburne está produzindo, mas inclui suas idéias conceituais.

“Sempre haverá alguma incerteza nas medições de busca de vida”, disse MacKenzie. “Por isso é tão importante ter uma boa etapa de preparação da amostra, que ajuda a minimizar o limite de detecção, e porque ter instrumentos como o seqüenciador de nanoporos, que pode oferecer tanto identificação quanto caracterização, são tão críticos”.”

Com a hipótese de colher amostras de uma lua oceânica, a equipa da Craft e Bradburne está a tentar determinar quanta água é necessária para detectar essas bio-assinaturas. E, claro, não é fácil. “Pensei que poderíamos ir a esses mundos oceânicos, mergulhar os dedos dos pés e poder ver se a vida está lá ou não”, disse Craft. Mas ao ler pesquisas de oceanógrafos, ela aprendeu que eles têm que filtrar litros de água para procurar evidências de vida, mesmo aqui na Terra. “É simplesmente incrível. Por causa de toda aquela água lá fora, é tão diluída”, disse ela.

Como você coleta volumes tão grandes de água e os concentra em outro mundo? Como você os processa em um microchip e vê se há alguma molécula importante lá?

“Há apenas um monte de desafios que ainda não foram abordados”, disse Craft. Mas a equipe continua a se conectar. No mês passado, eles fizeram alguns experimentos de descarga de vários volumes de amostras de aminoácidos diluídos, espetados na água do oceano através do chip de amostra deles. Os resultados iniciais são promissores, com o sistema capturando todos os aminoácidos em uma gama de eficiências que serão relatadas em um próximo artigo científico.

Se alguma vez passasse do conceito para a plataforma de lançamento, o Enceladus Orbilander não se levantaria até meados dos anos 2030, dando à Craft e à equipe de Bradburne algum tempo para desenvolver ainda mais suas ferramentas. Mas mesmo que a tecnologia não esteja pronta para essa missão, Ohiri, como outros da equipe, continua otimista de que a tecnologia um dia voará.

“Minha esperança é que quando a tecnologia estiver madura o suficiente, haverá uma missão nos livros, e nós estaremos prontos para ela”, disse ela.