Semne mai puternice de viață

Când au ajuns la suprafața lui Marte în 1976, cele două nave de aterizare Viking ale NASA au aterizat cu un zgomot ușor. Cu o înălțime de 2,5 metri, o lungime de 3 metri și o greutate de aproximativ 1.300 de kilograme, aceste nave spațiale – prima misiune americană care a reușit să aterizeze cu succes pe suprafața marțiană – arătau ca niște gândaci de pastilă prea mari.

Ceea ce se afla în fața lor era un pustiu ruginit, prăfuit, presărat cu pietre, sub un cer portocaliu cafeniu, departe de metropolele extraterestre pline de viață pe care le descriseseră scriitorii și filmele științifico-fantastice. Oamenii de știință nu se așteptau niciodată la orașe extraterestre, dar bănuiau că în solul marțian s-ar putea ascunde colonii de extratereștri microbieni. Aterizatoarele au fost primele care au căutat viață extraterestră.

Ambele aterizatoare au fost echipate cu trei instrumente automate de detectare a vieții, fiecare dintre ele a incubat o mostră de la suprafață, studiind aerul de deasupra în căutarea unor molecule precum dioxidul de carbon, care ar putea indica fotosinteza, sau metanul, pe care microbii l-ar putea produce pe măsură ce metabolizează substanțele nutritive furnizate de aterizatoare.

Unul dintre instrumente a primit un semnal pozitiv. Experimentul de eliberare cu etichetă, care urmărea carbonul radioactiv pe măsură ce trecea de la zahărul digerabil la dioxidul de carbon digerat, a văzut semnul revelator al microbilor vii, care metabolizează.

Celelalte două experimente, însă, nu au avut niciodată.

Legenda imaginii: Atunci când navetele de aterizare Viking ale NASA au imaginat suprafața planetei Marte, acestea au arătat un teren sterp de roci și praf.

Creditul imaginii: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Această descoperire-poate a declanșat o dezbatere care persistă și astăzi, susținătorii insistând (și noile cercetări sugerând) că numai ceva viu ar fi putut emite acel semnal pozitiv.

Dar, la fel ca mulți din comunitatea științifică, Kate Craft, cercetător planetar la Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, rămâne sceptică. „A fost un experiment bun, dar a fost foarte limitat în ceea ce a fost capabil să detecteze”, a declarat ea.

Pentru început, experimentele Viking au presupus că microbii de pe Marte ar mânca substanțele nutritive pe care le oferim, ceea ce nu este neapărat adevărat. Și chiar dacă ar fi așa, este totuși greu de crezut doar o singură linie de dovezi. „Întotdeauna vrem să avem rezultate pozitive pe mai multe semnături”, a spus ea.

Mai problematic, însă, este faptul că oamenii de știință de la acea vreme nu știau că suprafața lui Marte este acoperită de săruri de perclorat, minerale care conțin clor și oxigen care, conform experimentelor, pot distruge moleculele organice și microbii atunci când sunt încălzite – producând gaze de clor, pe care, de fapt, sondele Viking le-au detectat. Nimeni nu a știut că sărurile se află acolo până în 2008, când modulul de aterizare Phoenix al NASA le-a descoperit.

Pentru Craft și colegul ei Chris Bradburne, biolog și cercetător senior la APL, misiunile Viking au subliniat provocarea monstruoasă cu care se confruntă oamenii de știință pentru a spune definitiv că am găsit viață pe o altă lume. Tipul, siguranța și repetabilitatea acestor dovezi contează. Numeroase nave spațiale de la misiunile Viking s-au întors pe Marte, căutând molecule organice, care conțin în principal carbon, hidrogen și oxigen. Acestea sunt asociate în mod obișnuit cu viața, dar nu sunt indicatori siguri ai acesteia.

Dar revelația despre sărurile de pe Marte a evidențiat un punct mai important, deși oarecum neinspirat: Șansele de a detecta semne de viață chiar și cu cea mai bună tehnologie sunt probabil slabe dacă nu vă purificați mai întâi probele.

Cercetătorii s-au fixat pe partea de detectare a ecuației, dar pregătirea probelor – o etapă anterioară în fluxul de lucru – a fost în mare parte ignorată. Sărurile sunt deosebit de îngrijorătoare, deoarece pot îngreuna analiza, iar țintele principale pentru viitoarele misiuni de detectare a vieții sunt locurile cu oceane de apă lichidă sărată sub suprafețele lor – lumi precum Europa, luna lui Jupiter, și Enceladus, luna lui Saturn.

Din 2013, Bradburne, Craft și o echipă de cercetători de la APL au dezvoltat noi sisteme microfluidice, de mărimea unei palme, pentru viitoarele nave spațiale, pentru a aborda această provocare. Acestea pot purifica și izola molecule care ar putea fi indicatori puternici ai vieții – aminoacizi, proteine, ARN, ADN.

„Este mult mai sexy să ne gândim la detector”, a spus Bradburne. „Dar dacă nu poți să-ți pregătești probele și să le optimizezi astfel încât senzorul tău să poată detecta ceea ce urmărești, nu-ți sunt de niciun folos.”

Dar echipa împinge unul dintre instrumentele lor chiar mai departe: un secvențiator pentru spațiu. Acesta nu numai că ar pregăti și concentra moleculele cu lanț lung, cum ar fi ADN și ARN, dar ar pompa întregul lor cod genetic chiar la destinație. În plus, ar detecta aceste molecule indiferent dacă sunt sau nu asemănătoare ADN-ului și ARN-ului terestru, oferind posibilitatea de a detecta viața cu o origine complet separată.

„Ar putea să vă ofere un semnal cu adevărat concludent”, a spus Bradburne. Trebuie doar să vă dați seama cum să-l construiți.

Mașinile de curățare

Craft și Bradburne au luat în considerare crearea unui cip de pregătire a probelor pentru ADN și ARN încă din 2014, pornind de la munca pe care Bradburne a început-o cu câțiva ani mai devreme.

În ceea ce privește indicatorii de viață, ADN-ul și ARN-ul se află relativ sus pe listă, deoarece ambele formează coloana vertebrală din care a evoluat toată viața terestră. Dar tocmai din acest motiv mulți oameni de știință au fost sceptici în ceea ce privește căutarea de ADN și ARN în altă parte în sistemul solar.

Pentru ca materialul genetic să transmită informații între generații, au argumentat ei, organismele ar fi trebuit deja să evolueze într-o anumită măsură; o posibilitate destul de improbabilă, a spus Craft. Ca atare, mulți oameni de știință au considerat că ADN-ul și ARN-ul sunt biosemnături mai puțin importante și, în schimb, au prioritizat alte elemente constitutive ale vieții, cum ar fi aminoacizii – constituenții tuturor proteinelor și enzimelor. „Viața nu ar trebui să fie „la fel de evoluată” pentru aceste semnături”, a explicat Craft.

Atunci, echipa a schimbat vitezele pentru a realiza un sistem miniatural de pregătire a probelor pentru aminoacizi. Chimistul APL Jen Skerritt, inginerul chimist Tess Van Volkenburg și, mai târziu, Korine Ohiri, un expert în microfluidică, s-au alăturat echipei. Din 2018, ei au perfecționat treptat designul.

Cu o lățime de aproximativ 4 inci, o lungime de 4 inci și o înălțime de 2 inci, sistemul poate încăpea cu ușurință în palmă. Cu toate acestea, este echipat cu toate pompele și supapele necesare pentru a împinge un eșantion prin el. Regiunea activă a celui mai recent model este umplută cu mărgele minuscule care atrag aminoacizii în soluțiile acide, în timp ce sărurile și alte mizerii continuă să curgă pe partea cealaltă într-un depozit de deșeuri. După ce proba trece prin ea, aminoacizii sunt desprinși de pe bile cu o soluție bazică și expediați către orice detector atașat la cip.

Desenarea unui sistem de pregătire pentru spațiu nu a fost ușoară, a spus Ohiri. Cantitatea de energie disponibilă este o fracțiune din cea care poate fi folosită în laborator, iar materialele trebuie să reziste la temperaturi și radiații potențial extreme. În prezent, echipa realizează sistemul de purificare a aminoacizilor din materiale obișnuite de prototipare rapidă, cum ar fi rășinile de înaltă rezoluție utilizate în imprimarea 3D, dar obținerea unui material care să fie demn de spațiul cosmic, menținându-și în același timp performanța, a spus Ohiriri, rămâne o provocare. „Dar asta este ceea ce este atât de interesant la acest proiect: Sunt atât de multe aspecte care sunt cu adevărat în avangardă.”

Legenda imaginii: Cum să izolezi și să secvențiezi ADN în spațiu: Începeți cu o fază de întrerupere, folosind sunetul sau alte unde pentru a impulsiona mărgele cu atracție magnetică astfel încât acestea să spargă sporii sau celulele și să lase ADN-ul să iasă. ADN-ul se atașează de mărgele, care sunt apoi trase spre un magnet în timpul etapei de purificare. Sferele sunt apoi spălate pentru a elimina ADN-ul, care este apoi trimis la un secvențiator de nanopori. Secvențiatorul citește apoi lanțul de molecule care alcătuiesc ADN-C, A, T și G. Această configurație ar trebui teoretic să funcționeze pentru orice moleculă cu lanț lung precum ADN-ul, inclusiv ARN, proteine sau ceva cu totul nou.

Creditul imaginii: Johns Hopkins APL

Contravaloarea aminoacizilor, totuși, este că aceștia sunt peste tot – de la meteoriți la comete și la nori interstelari. Anumite indicii pot indica dacă sunt biologici sau nu. Aminoacizii se prezintă sub două forme care sunt imagini în oglindă una a celeilalte: una considerată stângace, cealaltă dreaptă. Printr-o întâmplare a evoluției, toate formele de viață de pe Pământ folosesc doar aminoacizii stângaci. Așa că, prin extensie, dacă un tip apare mai mult decât celălalt într-un eșantion dintr-o altă lume, ar putea fi un semn de viață.

Bradburne, totuși, nu crede în totalitate acest lucru. „De unde știi că nu este vorba doar de contaminare?”, a întrebat el, cum ar fi de la un microb autostopist care a scăpat cumva de procesul de curățare profundă prin care trec toate navele spațiale înainte de lansare. Detectarea vieții în univers, spune el, se reduce nu doar la detectarea moleculelor pe care le căutați, ci și la minimizarea șanselor de a obține un fals pozitiv și la asigurarea faptului că experimentele dvs. sunt repetabile.

ADN și ARN nu sunt neapărat mai bune pentru a aborda aceste probleme, cu excepția cazului în care le puteți secvenția. Și de aceea, atunci când au fost inventate secvențiatoarele cu nanopori, echipa a văzut o oportunitate inedită.

Calea spre secvențiere

Secvențiatoarele cu nanopori sunt mașini mici, de mărimea unui stick de memorie care pot lua un fir de ADN sau ARN și pot citi seria de blocuri moleculare din care este alcătuit. Șirul se deplasează printr-un por care are o lățime de doar o miliardime de centimetru și care este străbătut de un câmp electric. Fiecare nucleotidă perturbă în mod unic acel câmp electric în timp ce se deplasează prin por. Iar un computer poate interpreta acea perturbare și poate spune exact ce nucleotidă tocmai a trecut prin el.

Pe lângă faptul că au dimensiunea ideală pentru o navă spațială, a spus Bradburne, secvențiatoarele de nanopori ar trebui, în teorie, să fie capabile să interpreteze orice tip de moleculă cu lanț lung care trece prin el – ADN, ARN, proteine, sau un XNA necunoscut. Dar ele reduc, de asemenea, șansele ca un semnal să nu fie doar un microb clandestin. Organismele provenite de pe Pământ au lanțuri recognoscibile, cum ar fi cele care codifică enzimele specifice și alte proteine comune organismelor vii de pe Pământ. Așadar, dacă secvențele par să se potrivească cu cele care se găsesc frecvent aici, pe Pământ, este foarte probabil să fie un fals pozitiv.

„Randamentul științific ar fi pur și simplu uimitor”, a spus Bradburne.

Există totuși o serie de motive pentru care secvențiatoarele actuale cu nanopori nu sunt pregătite pentru spațiu. În primul rând, acestea sunt fabricate din materiale care nu pot rezista ani de zile la temperaturi sub zero grade Celsius și radiații; chiar și pe Pământ, acestea rezistă doar aproximativ șase luni. Chiar și mai problematic este faptul că folosesc proteine din bacterii stafilococice pentru pori, ceea ce ridică îngrijorarea cu privire la introducerea accidentală de produse biologice de pe Pământ.

Aceste provocări au forțat echipa să înceapă, în schimb, să dezvolte un secvențiator nou și un sistem de pregătire a probelor care să îl însoțească.

„Ideea este că, în cele din urmă, vom avea un instrument complet pentru a pregăti proba așa cum vrem noi și apoi să o analizăm”, a spus Craft.

Componenta de pregătire a probelor a făcut progrese semnificative în ultimul an. Echipa încearcă undele sonore și alte metode disruptive pentru a sparge celulele și sporii care pot găzdui materialul genetic și margele magnetice pentru a reține apoi moleculele cu lanț lung.

Dar proiectarea secvențiatorului de nanopori a fost mai dificilă. O platformă sintetică cu nanopori presați în ea este cea mai ideală, dar modul de a controla dimensiunea porilor și de a-i face astfel încât să încetinească molecula pentru ca computerul să poată înregistra fiecare moleculă din lanț pe măsură ce trece prin ea rămâne incert. Un colaborator canadian a sugerat chiar să facă porii atunci când ajung la destinație pentru a atenua problemele legate de termenul de valabilitate. „Nu sunt sigur cum am face asta, dar nimic nu este exclus în acest moment”, a spus Bradburne.

În ciuda obstacolelor, echipa nu a pierdut timpul și a vorbit despre instrumentul lor cu cercetătorii care dezvoltă misiuni conceptuale. „Vorbim despre el atunci când putem”, a spus Craft, mai ales pentru a-i face pe oameni să știe că este un instrument viitor și viabil.

Și un concept recent, o misiune către Enceladus, luna lui Saturn, include ceva foarte asemănător cu acesta.

O altă căutare a vieții

Cu o lățime de 314 mile – aproximativ cât lățimea Pennsylvaniei – și în medie de nouă ori mai departe de Soare decât Pământul, Enceladus ar fi trebuit să fie doar o minge înghețată de gheață.

Dar în 2006, misiunea Cassini a NASA a dezvăluit o descoperire ispititoare: o coloană de vapori de apă și gheață care țâșnește din patru „dungi de tigru” cavernoase la polul sud al lui Enceladus. Diverse măsurători indică faptul că aceste falii au legătură directă cu un ocean global de apă lichidă aflat sub suprafață. Este posibil ca oceanul să interacționeze cu nucleul stâncos al lunii într-un mod similar cu cel al fântânilor hidrotermale de adâncime de pe Pământ, unde trăiesc și prosperă aproape 600 de specii de animale.

Creditul imaginii: Johns Hopkins APL

În timp ce Cassini a trecut prin pene, a găsit molecule precum metanul, dioxidul de carbon și amoniacul – fragmente chimice suspecte ale unor molecule mai complexe cu patru dintre cele șase elemente cheie pentru viață: carbon, hidrogen, azot și oxigen.

„Enceladus este o lume oceanică în care avem suficiente date pentru a merge dincolo de a ne întreba dacă este locuibilă”, a declarat Shannon MacKenzie, cercetător planetar la APL. „La Enceladus, suntem pregătiți să facem pasul următor și să căutăm semne de viață.”

MacKenzie a condus recent dezvoltarea unui concept de misiune care ar face exact acest lucru. Se numește Enceladus Orbilander și ar funcționa exact așa cum sună: parte-orbitor, parte-pământean. Șase instrumente ar efectua măsurători pe materialul colectat din penajul lui Enceladus pentru a căuta mai multe biosemnături potențiale – aminoacizi stângaci și dreptaci, grăsimi și alte hidrocarburi cu lanț lung, molecule capabile să stocheze informații genetice și chiar structuri asemănătoare celulelor.

Ca un concept de misiune, studiul Orbilander nu identifică implementări specifice de instrumente precum cele pe care le realizează echipa lui Craft și Bradburne, dar include ideile lor conceptuale.

„Întotdeauna va exista o anumită cantitate de incertitudine în măsurătorile de căutare a vieții”, a spus MacKenzie. „De aceea este atât de important să ai o etapă bună de pregătire a probelor, care ajută la minimizarea limitei de detecție, și de aceea este atât de important să ai instrumente precum secvențiatorul cu nanopori, care poate oferi atât identificare, cât și caracterizare.”

Cu șansa de a eșantiona o lună oceanică, echipa lui Craft și Bradburne încearcă să determine câtă apă este necesară pentru a detecta aceste biosemnături. Și, bineînțeles, nu este ușor. „M-am gândit că am putea să mergem pe aceste lumi oceanice, să ne băgăm degetele de la picioare și să fim capabili să vedem dacă există viață acolo sau nu”, a declarat Craft. Dar, pe măsură ce a citit cercetările efectuate de oceanografi, a aflat că aceștia trebuie să filtreze litri de apă pentru a căuta dovezi de viață – chiar și aici, pe Pământ. „Este pur și simplu uimitor. Din cauza întregii cantități de apă de acolo, este atât de diluată”, a spus ea.

Cum colectezi volume atât de mari de apă și le concentrezi pe o altă lume? Cum le procesați într-un microcip și vedeți dacă există molecule importante acolo?

„Există doar o mulțime de provocări care nu au fost încă abordate”, a spus Craft. Cu toate acestea, echipa continuă să se străduiască. Luna trecută, ei au efectuat câteva experimente prin care au trecut prin cipul lor de eșantionare diferite volume de probe diluate de aminoacizi îmbogățiți în apă oceanică. Rezultatele inițiale sunt promițătoare, sistemul captând toți aminoacizii la o gamă de eficiențe care vor fi raportate într-o viitoare lucrare științifică.

Dacă va trece vreodată de la concept la rampa de lansare, Enceladus Orbilander nu va decola până la mijlocul anilor 2030, ceea ce va da echipei lui Craft și Bradburne ceva timp pentru a-și dezvolta în continuare instrumentele. Dar chiar dacă tehnologia nu este pregătită pentru această misiune, Ohiri, la fel ca și ceilalți membri ai echipei, rămâne optimistă că tehnologia va zbura într-o zi.

„Speranța mea este că, până când tehnologia va fi suficient de matură, va exista o misiune în program, iar noi vom fi pregătiți pentru ea”, a spus ea.

.