Zdjęcie: UC Berkeley
Ta sama najnowocześniejsza technologia, która przyspieszyła sekwencjonowanie ludzkiego genomu, może do końca dziesięciolecia powiedzieć nam raz na zawsze, czy życie kiedykolwiek istniało na Marsie, według chemika z University of California w Berkeley.
Richard Mathies, profesor chemii z UC Berkeley i twórca pierwszych matryc elektroforezy kapilarnej i nowych etykiet barwników fluorescencyjnych z przeniesieniem energii - oba stosowane w dzisiejszych sekwencerach DNA - pracuje nad instrumentem, który wykorzystywałby te technologie do badania pyłu Marsa w poszukiwaniu dowodów życia oparte na aminokwasach, budulcach białek.
Absolwentka Alison Skelley w Rock Garden, jednym z miejsc na chilijskiej pustyni Atacama, gdzie badacze próbowali gleby pod kątem aminokwasów w ramach przygotowań do wysłania instrumentu na Marsa w poszukiwaniu oznak życia. Ruiny miasta Yunguy są w tle. (Zdjęcie dzięki uprzejmości Richard Mathies lab / UC Berkeley)
Dzięki dwóm dotacjom rozwojowym z NASA o łącznej wartości prawie 2,4 miliona dolarów, on i członkowie zespołu z Jet Propulsion Laboratory (JPL) w California Institute of Technology i UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography mają nadzieję zbudować Mars Organic Analyzer, aby latać na pokładzie wędrownego NASA, robotyczna misja Mars Science Laboratory i / lub misja ExoMars Europejskiej Agencji Kosmicznej, obie planowane na uruchomienie w 2009 r. Propozycja ExoMars jest realizowana we współpracy z Pascale Ehrenfreund, profesorem astrochemii na Uniwersytecie w Leiden w Holandii.
Mars Organic Analyzer, nazwany MOA, szuka nie tylko chemicznej sygnatury aminokwasów, ale sprawdza kluczową cechę aminokwasów opartych na życiu: wszystkie są leworęczne. Aminokwasy można wytwarzać w procesach fizycznych w kosmosie - często można je znaleźć w meteorytach - ale są one w równym stopniu lewo- i praworęczne. Mathies powiedział, że jeśli aminokwasy na Marsie wolą aminokwasy leworęczne od praworęcznych lub odwrotnie, mogły pochodzić tylko z jakiejś formy życia na planecie.
„Uważamy, że mierzenie homochiralności - przewagi jednego rodzaju przekazania nad drugim - byłoby absolutnym dowodem życia”, powiedział Mathies, członek UC Berkeley z California Institute for Quantitative Biomedical Research (QB3). „Dlatego skupiliśmy się na tego rodzaju eksperymencie. Jeśli pojedziemy na Marsa i znajdziemy aminokwasy, ale nie zmierzymy ich chiralności, poczujemy się bardzo głupio. Nasz instrument może to zrobić. ”
MOA jest jednym z wielu opracowywanych instrumentów finansowanych przez NASA w celu poszukiwania obecności cząsteczek organicznych na Marsie, a ostateczne propozycje misji w 2009 r. Mają się odbyć w połowie lipca. Mathies i koledzy Jeffrey Bada ze Scripps i Frank Grunthaner z JPL, którzy planują przedstawić jedyną propozycję, która testuje przydatność aminokwasów, poddali analizator testowi i wykazali, że działa. Szczegóły ich propozycji są teraz w Internecie pod adresem http://astrobiology.berkeley.edu.
W lutym Alison Skelley, absolwentka Grunthaner i UC Berkeley, udała się na pustynię Atacama w Chile, aby sprawdzić, czy detektor aminokwasów - zwany Mars Organic Detector lub MOD - może znaleźć aminokwasy w najsuchszym regionie planety. MOD łatwo się udało. Ponieważ jednak druga połowa eksperymentu - „laboratorium na czipie”, które testuje przydatność aminokwasów - nie została jeszcze powiązana z MOD, badacze sprowadzili próbki z powrotem do UC Berkeley dla tej części test. Skelley pomyślnie zakończył te eksperymenty, pokazując zgodność systemu lab-on-chip z MOD.
„Jeśli nie możesz wykryć życia w regionie Yungay na pustyni Atacama, nie masz żadnego interesu na Marsie”, powiedział Mathies, odnosząc się do pustynnego regionu w Chile, gdzie załoga przebywała i przeprowadziła niektóre z ich testów.
Mathies, który 12 lat temu opracował pierwsze separatory elektroforezy z matrycą kapilarną sprzedawane przez Amersham Biosciences w swoich szybkich sekwencerach DNA, jest przekonany, że ulepszenia jego grupy w zakresie technologii wykorzystanej w projekcie genomu doskonale wkomponują się w projekty eksploracji Marsa.
„Dzięki opracowanej przez nas technologii mikroprzepływowej i naszej zdolności do tworzenia tablic analizatorów in situ, które przeprowadzają bardzo proste eksperymenty stosunkowo niedrogo, nie potrzebujemy ludzi na Marsie do wykonywania cennych analiz” - powiedział. „Jak dotąd pokazaliśmy, że ten system może wykryć życie na podstawie odcisku palca i że możemy przeprowadzić pełną analizę w terenie. Jesteśmy bardzo podekscytowani przyszłymi możliwościami. ”
Bada, chemik morski, jest egzobiologiem w zespole, który opracował prawie kilkanaście lat temu nowy sposób testowania aminokwasów, amin (produktów degradacji aminokwasów) i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, związków organicznych powszechnych we wszechświecie. Ten eksperyment, MOD, został wybrany do misji na Marsa w 2003 roku, która została złomowana, gdy rozbił się Mars Lander Lander w 1999 roku.
Od tego czasu Bada połączył siły z Mathies, aby opracować bardziej ambitny instrument, który łączy ulepszony MOD z nową technologią identyfikacji i testowania chiralności wykrytych aminokwasów.
Ostatecznym celem jest znalezienie dowodu życia na Marsie. Lądowniki Viking w latach siedemdziesiątych bezskutecznie testowały molekuły organiczne na Marsie, ale ich czułość była tak niska, że nie wykrywaliby życia, nawet gdyby istniał milion bakterii na gram gleby, powiedział Bada. Teraz, gdy łaziki NASA Spirit and Opportunity prawie na pewno pokazały, że stojąca woda kiedyś istniała na powierzchni, celem jest znalezienie cząsteczek organicznych.
MOD Bady jest zaprojektowany do podgrzewania próbek gleby marsjańskiej i, przy niskim ciśnieniu na powierzchni, odparowuje wszelkie cząsteczki organiczne, które mogą być obecne. Para skrapla się następnie na zimnym palcu, pułapce ochłodzonej do nocnej temperatury otoczenia Marsa, około 100 stopni poniżej zera Fahrenheita. Zimny palec jest pokryty fluorescencyjnymi barwnikami, które wiążą się tylko z aminokwasami, tak że każdy sygnał fluorescencyjny wskazuje na obecność aminokwasów lub amin.
„W tej chwili jesteśmy w stanie wykryć jedną bilionową gram aminokwasów w gramie gleby, co jest milion razy lepsze niż Viking” - powiedział Bada.
Dodatkowy system elektroforezy kapilarnej wysysa skroplony płyn z zimnego palca i wysysa go do lab-on-on-chip z wbudowanymi pompami i zaworami, które kierują płyn obok substancji chemicznych, które pomagają zidentyfikować aminokwasy i sprawdzić przydatność lub chiralność .
„MOD to przesłuchanie w pierwszym etapie, w którym próbka jest badana na obecność wszelkich gatunków fluorescencyjnych, w tym aminokwasów”, powiedział Skelley. „Następnie instrument do elektroforezy kapilarnej wykonuje analizę drugiego etapu, w której faktycznie rozwiązujemy te różne gatunki i możemy powiedzieć, czym one są. Oba instrumenty zostały zaprojektowane tak, aby się uzupełniały i budowały na sobie ”
„Rich przeniósł ten eksperyment do następnego wymiaru. Naprawdę mamy system, który działa ”- powiedział Bada. „Kiedy zacząłem myśleć o testach chiralności i po raz pierwszy rozmawiałem z Richem, mieliśmy koncepcyjne pomysły, ale nic, co faktycznie działało. Doprowadził go do tego stopnia, że mamy przenośny instrument uczciwy wobec Boga. ”
Aminokwasy, budulce białek, mogą istnieć w dwóch postaciach odbicia lustrzanego, oznaczonych L (lewo) dla leworęcznych i D (dextro) dla praworęcznych. Wszystkie białka na Ziemi składają się z aminokwasów typu L, dzięki czemu ich łańcuch ładnie składa się w zwarte białko.
Jak to opisuje Mathies, w teście chiralności wykorzystuje się fakt, że leworęczne aminokwasy bardziej pasują do lewoskrętnej chemicznej „rękawicy”, a praworęczne aminokwasy w praworęcznej rękawicy. Jeśli zarówno lewo-, jak i praworęczne aminokwasy podróżują w dół cienkiej kapilary wyłożonej mitenkami dla leworęcznych, leworęczne będą podróżować wolniej, ponieważ wślizgną się w mitenki po drodze. Powiedział, że to jak leworęczny polityk pracujący w tłumie. Będzie poruszać się wolniej, tym bardziej leworęczni ludzie w tłumie, ponieważ są to jedyni ludzie, z którymi uścisną sobie dłonie. W tym przypadku mitenka dla leworęcznych jest substancją chemiczną o nazwie cyklodekstryna.
Różne aminokwasy - istnieje 20 różnych rodzajów używanych przez ludzi - również przemieszczają się w dół rurki z różnymi prędkościami, co umożliwia częściową identyfikację tych obecnych.
„Po wykryciu aminokwasów przez MOD, znakowany roztwór aminokwasów jest pompowany do mikroprzepływów i grubo rozdzielany przez ładunek”, powiedział Mathies. „Mobilność aminokwasów mówi nam coś o ładunku i wielkości, a kiedy cyklodekstryny są obecne, czy mamy mieszaninę racemiczną, czyli taką samą ilość aminokwasów lewo- i praworęcznych. Jeśli to zrobimy, aminokwasy mogą być niebiologiczne. Ale jeśli widzimy chiralny nadmiar, wiemy, że aminokwasy muszą być pochodzenia biologicznego. ”
Najnowocześniejszy układ zaprojektowany i zbudowany przez Skelley składa się z kanałów wytrawionych technikami fotolitograficznymi oraz mikroprzepływowego systemu pompowania wciśniętego w czterowarstwowy dysk o średnicy czterech cali, z warstwami połączonymi wierconymi kanałami. Maleńkie zawory i pompy z mikrokabrykatów są utworzone z dwóch szklanych warstw z elastyczną membraną polimerową (PDMS lub polidimetylosiloksanową) pomiędzy nimi, przesuwaną w górę i w dół za pomocą źródła ciśnienia lub próżni. Chemik fizyczny z UC Berkeley, James Scherer, który zaprojektował instrument do elektroforezy kapilarnej, opracował również czuły detektor fluorescencji, który szybko odczytuje wzór na chipie.
Jednym z aktualnych grantów NASA dla zespołu jest opracowanie nowej generacji mikrowłóknistego laboratorium organicznego (MOL), aby polecieć na Marsa, księżyc Jowisza w Europie lub kometę i przeprowadzić jeszcze bardziej skomplikowane testy chemiczne w poszukiwaniu bardziej kompletnego zestawu substancji organicznych cząsteczki, w tym kwasy nukleinowe, jednostki strukturalne DNA. Na razie jednak celem jest instrument gotowy do 2009 roku, aby wyjść poza obecne eksperymenty na łazikach Mars 2003 i poszukać aminokwasów.
„Musisz pamiętać, jak dotąd nie wykryliśmy żadnych substancji organicznych na Marsie, więc byłby to ogromny krok naprzód” - powiedział Bada. „W polowaniu na życie istnieją dwa wymagania: woda i związki organiczne. Z najnowszych ustaleń łazików marsjańskich, które sugerują, że woda jest obecna, pozostałym nieznanym są związki organiczne. Dlatego skupiamy się na tym.
„Analizator organiczny Mars jest bardzo potężnym eksperymentem, a naszą wielką nadzieją jest znalezienie nie tylko aminokwasów, ale aminokwasów, które wyglądają, jakby mogły pochodzić od jakiegoś żywego bytu”.
Oryginalne źródło: Berkeley News Release
