Surare tecken på liv

Bildtext:

Bildtext:

: När NASA:s Viking-landare tog bilder av Mars yta visade de ett kargt land av stenar och damm.

Bildkredit: NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Denna kanske-upptäckt utlöste en debatt som pågår än i dag, med förespråkare som insisterar på (och ny forskning som tyder på) att endast något levande skulle ha kunnat göra den positiva signalen.

Men liksom många i forskarvärlden är Kate Craft, planetforskare vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, fortfarande skeptisk. ”Det var ett bra experiment, men det var mycket begränsat i vad det kunde upptäcka”, konstaterade hon.

För det första antog Viking-experimenten att mikroberna på Mars skulle äta de näringsämnen vi gav dem, vilket inte nödvändigtvis är sant. Och även om de gjorde det är det fortfarande svårt att tro på bara en enda bevislinje. ”Vi vill alltid ha positiva resultat för flera signaturer”, säger hon.

Mer problematiskt är dock att forskarna på den tiden inte visste att Mars yta är täckt av perklorat-salter, mineraler som innehåller klor och syre och som experiment visar att de kan förstöra organiska molekyler och mikrober när de upphettas, vilket ger upphov till klorgaser, som Viking-landarna faktiskt upptäckte. Ingen visste att salterna fanns där förrän 2008, då NASA:s Phoenix-landare upptäckte dem.

För Craft och hennes kollega Chris Bradburne, biolog och senior forskare vid APL, understryker Viking-uppdragen den enorma utmaning som forskarna står inför när det gäller att definitivt säga att vi har hittat liv på en annan värld. Typ, säkerhet och upprepbarhet av bevisen spelar alla roll. Sedan Viking-landningarna har många rymdskepp återvänt till Mars för att leta efter organiska molekyler, som huvudsakligen innehåller kol, väte och syre. De förknippas ofta med liv men är inte säkra indikatorer på liv.

Men avslöjandet om salter på Mars belyste en mer framträdande, om än något oinspirerande, punkt: Chanserna att upptäcka tecken på liv även med den bästa tekniken är sannolikt små om man inte renar proverna först.

Forskare har fokuserat på detektionssidan av ekvationen, men provberedningen – ett tidigare steg i arbetsflödet – har oftast ignorerats. Salter är särskilt oroande, eftersom de kan försvåra analysen, och de främsta målen för framtida uppdrag för att upptäcka liv är platser med salta hav av flytande vatten under ytan – världar som Jupiters måne Europa och Saturnus måne Enceladus.

Sedan 2013 har Bradburne, Craft och ett team av forskare vid APL utvecklat nya mikrofluidiska system i handflatorstorlek för framtida rymdfarkoster för att ta itu med denna utmaning. De kan rena och isolera molekyler som skulle kunna vara starka indikatorer på liv – aminosyror, proteiner, RNA, DNA.

”Det är mycket sexigare att tänka på detektorn”, säger Bradburne. ”Men om du inte kan förbereda dina prover och optimera dem så att sensorn kan upptäcka det du är ute efter så är de inte till någon nytta.”

Men teamet driver ett av sina instrument ännu längre: en sekvenserare för rymden. Den skulle inte bara förbereda och koncentrera långkedjiga molekyler som DNA och RNA utan även pumpa ut hela deras genetiska kod direkt på destinationen. Dessutom skulle den upptäcka dessa molekyler oavsett om de liknar jordiskt DNA och RNA eller inte, vilket ger möjlighet att upptäcka liv med ett helt annat ursprung.

”Det skulle kunna ge dig en riktigt entydig signal”, säger Bradburne. Man måste bara komma på hur man bygger det.

Rengöringsmaskinerna

Craft och Bradburne hade redan 2014 funderat på att skapa ett provberedningschip för DNA och RNA, och byggde vidare på det arbete som Bradburne påbörjat några år tidigare.

När det gäller indikatorer på liv står DNA och RNA relativt högt på listan, eftersom de båda bildar den ryggrad från vilken allt liv på jorden har utvecklats. Men det är just av den anledningen som många forskare var skeptiska till att leta efter DNA och RNA någon annanstans i solsystemet.

För att genetiskt material ska kunna överföra information mellan generationer, hävdade de, skulle organismerna redan ha varit tvungna att utvecklas i viss utsträckning; en ganska osannolik möjlighet, menade Craft. Därför ansåg många forskare att DNA och RNA var mindre viktiga biosignaturer och prioriterade istället livets andra byggstenar, t.ex. aminosyror – beståndsdelarna i alla proteiner och enzymer. ”Livet skulle inte behöva vara ”lika utvecklat” för dessa signaturer”, förklarade Craft.

Så laget bytte växel för att göra ett miniatyrprovberedningssystem för aminosyror. APL-kemisten Jen Skerritt, kemingenjören Tess Van Volkenburg och senare Korine Ohiri, expert på mikrofluidik, anslöt sig till teamet. Sedan 2018 har de gradvis finslipat konstruktionen.

Med en bredd på cirka 4 tum, en längd på 4 tum och en höjd på 2 tum ryms systemet lätt i handflatan. Ändå är det utrustat med alla de pumpar och ventiler som behövs för att trycka igenom ett prov. Det aktiva området i den senaste konstruktionen är fyllt med små pärlor som drar till sig aminosyror i sura lösningar medan salter och annat skräp fortsätter att strömma ut på andra sidan till en avfallsdepå. När provet passerar igenom avlägsnas aminosyrorna från pärlorna med en basisk lösning och skickas till vilken detektor som helst som är kopplad till chipet.

Det har inte varit lätt att utforma ett förberedelsesystem för rymden, sade Ohiri. Mängden tillgänglig kraft är bråkdelar av vad som kan användas i laboratoriet, och materialen måste tåla potentiellt extrema temperaturer och strålning. Teamet tillverkar för närvarande aminosyrareningssystemet av vanliga material för snabba prototyper, t.ex. högupplösta hartser som används vid 3D-utskrift, men det är fortfarande en utmaning att få materialet att vara rymddugligt samtidigt som dess prestanda bibehålls, sade Ohiri. ”Men det är det som är så spännande med det här projektet: Det finns så många aspekter som verkligen ligger i framkant.”

Bildtext: Hur man isolerar och sekvenserar DNA i rymden: Börja med en upplösningsfas, där ljud eller andra vågor används för att pulsera magnetiskt attraktiva pärlor så att de bryter upp sporer eller celler och släpper ut dna:t. DNA:t fäster vid pärlorna, som sedan dras mot en magnet under reningssteget. Pärlorna tvättas sedan för att avlägsna DNA:t, som sedan skickas till en nanoporesequencer. Sekvensatorn läser sedan av den kedja av molekyler som utgör DNA – C, A, T och G. Detta upplägg borde teoretiskt sett fungera för alla långkedjiga molekyler som DNA, inklusive RNA, proteiner eller något helt nytt.

Bildkredit: Johns Hopkins APL

Den stora nackdelen med aminosyror är dock att de finns överallt – från meteoriter till kometer till interstellära moln. Vissa ledtrådar kan visa om de är biologiska eller inte. Aminosyror finns i två former som är spegelbilder av varandra: den ena anses vänsterhänt, den andra högerhänt. Genom någon slump i evolutionen använder allt liv på jorden bara de vänsterhänta aminosyrorna. Så i förlängningen, om den ena typen förekommer mer än den andra i ett prov från en annan värld, skulle det kunna vara ett tecken på liv.

Bradburne tror dock inte helt på det. ”Hur vet man att det inte bara är en förorening?” frågade han, till exempel från en medföljande mikrob som på något sätt undkommit den djupa rengöringsprocess som alla rymdfarkoster genomgår före uppskjutning. Att upptäcka liv i universum, säger han, handlar inte bara om att upptäcka de molekyler man letar efter, utan också om att minimera risken för falskt positiva resultat och se till att experimenten kan upprepas.

DNA och RNA är inte nödvändigtvis bättre för att lösa dessa problem om man inte kan sekvensera dem. Och därför såg teamet en ny möjlighet när nanoporesequencers uppfanns.

Vägen till sekvensering

Nanoporesequencers är små maskiner i tummenhetens storlek som kan ta en DNA- eller RNA-sträng och läsa av serien av molekylära byggstenar som den är uppbyggd av. Stråket rör sig genom en por som bara är en miljarddels tum bred och som har ett elektriskt fält som passerar genom den. Varje nukleotid stör på ett unikt sätt det elektriska fältet när den rör sig genom porerna. Och en dator kan tolka denna störning och säga exakt vilken nukleotid som just passerat.

Bortsett från att vara den idealiska storleken för en rymdfarkost, sade Bradburne, borde nanoporsekvensorer i teorin kunna tolka alla typer av långkedjiga molekyler som passerar igenom – DNA, RNA, proteiner eller något okänt XNA. Men de krymper också chanserna för att en signal inte bara är en fripassagerarmikrobi. Organismer från jorden har igenkännbara strängar, t.ex. de som kodar för specifika enzymer och andra proteiner som är gemensamma för levande varelser på jorden. Så om sekvenser verkar matcha de som ofta hittas här på jorden är de sannolikt falskt positiva.

”Den vetenskapliga avkastningen skulle bara vara fantastisk”, säger Bradburne.

Det finns dock en mängd anledningar till varför de nuvarande nanoporsekvensierna inte är redo för rymden. För det första är de tillverkade av material som inte tål åratal av minusgrader och strålning; även på jorden håller de bara i ungefär sex månader. Ännu mer problematiskt är att de använder proteiner från stafylokocker för porerna, vilket ger upphov till oro för att oavsiktligt införa biologiska produkter från jorden.

Dessa utmaningar har tvingat teamet att i stället börja utveckla en ny sekvenserare och ett tillhörande provberedningssystem.

”Tanken är att vi så småningom ska ha ett komplett instrument för att förbereda provet på det sätt som vi vill ha det och sedan analysera det”, säger Craft.

Provberedningskomponenten har gjort betydande framsteg det senaste året. Teamet prövar ljudvågor och andra störande metoder för att bryta upp celler och sporer som kan hysa det genetiska materialet och magnetiska pärlor för att sedan hålla fast vid de långkedjiga molekylerna.

Men utformningen av nanoporsekvensatorn har varit mer utmanande. En syntetisk plattform med inpressade nanoporer är det mest ideala, men hur man ska kontrollera porernas storlek och göra dem så att de bromsar molekylen så att datorn kan registrera varje molekyl i kedjan när den passerar är fortfarande osäkert. En kanadensisk medarbetare föreslog till och med att porerna ska tillverkas när de når destinationen för att minska problemen med hållbarheten. ”Jag är inte säker på hur vi skulle göra det, men ingenting är uteslutet just nu”, sade Bradburne.

Trots hindren har teamet inte slösat någon tid på att prata om sitt verktyg med forskare som utvecklar konceptuppdrag. ”Vi pratar om det när vi kan”, sade Craft, mest för att låta folk veta att det är ett kommande, genomförbart instrument.

Och ett nytt koncept, ett uppdrag till Saturnus måne Enceladus, innehåller något som är mycket likt det.

Ett annat sökande efter liv

Enceladus är 314 mil bred – ungefär lika bred som Pennsylvania – och ligger i genomsnitt nio gånger längre från solen än jorden, och borde bara ha varit en frusen isboll.

Men 2006 avslöjade NASA:s Cassini-uppdrag en lockande upptäckt: en plym av vattenånga och is som sprutade ut från fyra grottformiga ”tigerremsor” vid Enceladus sydpol. Olika mätningar tyder på att felställena har en direkt koppling till ett globalt hav av flytande vatten under ytan. Havet kan interagera med månens steniga kärna på ett sätt som liknar jordens hydrotermiska skorstenar på djupt vatten, där nästan 600 djurarter lever och frodas.

Bildkredit: Johns Hopkins APL

När Cassini passerade genom plymorna hittade den molekyler som metan, koldioxid och ammoniak – misstänkta kemiska fragment av mer komplexa molekyler med fyra av de sex grundämnen som är viktiga för liv: kol, väte, kväve och syre.

”Enceladus är en havsvärld där vi har tillräckligt med data för att inte bara fråga om den är beboelig”, säger Shannon MacKenzie, planetforskare vid APL. ”På Enceladus är vi redo att ta nästa steg och söka efter tecken på liv.”

MacKenzie ledde nyligen utvecklingen av ett uppdragskoncept som skulle göra just detta. Det kallas Enceladus Orbilander och skulle fungera precis som det låter: delvis som en orbiter, delvis som en landare. Sex instrument skulle utföra mätningar på material som samlats in från Enceladus plym för att söka efter flera potentiella biosignaturer – vänster- och högerhänta aminosyror, fetter och andra långkedjiga kolväten, molekyler som kan lagra genetisk information och till och med cellliknande strukturer.

Som ett uppdragskoncept identifierar Orbilander-studien inte specifika instrumentimplementeringar som de som Craft och Bradburnes team håller på att ta fram, men den innehåller deras konceptuella idéer.

”Det kommer alltid att finnas en viss osäkerhet i mätningar som syftar till att söka efter liv”, säger MacKenzie. ”Det är därför som det är så viktigt att ha en bra provberedning, som hjälper till att minimera detektionsgränsen, och varför det är så viktigt att ha instrument som nanoporesequencern, som kan erbjuda både identifiering och karakterisering.”

Med chansen att ta prov på en oceanisk måne försöker Crafts och Bradburnes team avgöra hur mycket vatten som behövs för att upptäcka dessa biosignaturer. Och det är naturligtvis inte lätt. ”Jag trodde att vi skulle kunna åka till dessa havsvärldar, doppa tårna i dem och kunna se om det finns liv där eller inte”, säger Craft. Men när hon har läst oceanografernas forskning har hon lärt sig att de måste filtrera litervis av vatten för att leta efter tecken på liv – även här på jorden. ”Det är helt otroligt. På grund av allt vatten där ute är det så utspätt”, säger hon.

Hur samlar man in så stora mängder vatten och koncentrerar dem på en annan värld? Hur bearbetar man dem i ett mikrochip och ser om det finns några viktiga molekyler där?

”Det finns bara en massa utmaningar som ännu inte har lösts”, sade Craft. Teamet fortsätter dock att arbeta. Förra månaden utförde de några experiment där de spolade olika volymer av utspädda aminosyraprover som spetsats i havsvatten genom sitt provchip. De första resultaten är lovande, och systemet fångar alla aminosyror med en rad olika verkningsgrader som kommer att rapporteras i en kommande vetenskaplig artikel.

Om Enceladus Orbilander någonsin övergår från koncept till uppskjutningsplatta kommer den inte att lyfta förrän i mitten av 2030-talet, vilket ger Crafts och Bradburnes team tid att vidareutveckla sina verktyg. Men även om tekniken inte är redo för det uppdraget är Ohiri, liksom andra i teamet, optimistisk om att tekniken en dag kommer att flyga.

”Min förhoppning är att när tekniken är tillräckligt utvecklad kommer det att finnas ett uppdrag på gång, och vi kommer att vara redo för det”, säger hon.