Wykrywanie życia pozaziemskiego może w przyszłości wymagać znacznie mniejszych urządzeń niż te wykorzystywane obecnie do zaawansowanych analiz chemicznych. Międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez badaczy z Uniwersytetu w Osace opracował miniaturowy czujnik elektryczny, który potrafi rozpoznawać różne formy aminokwasów na poziomie pojedynczych cząsteczek. Dzięki połączeniu nanotechnologii i sztucznej inteligencji osiągnięto dokładność przekraczającą 80 procent. Nowa metoda może kiedyś pomóc łazikom i sondom kosmicznym w poszukiwaniu śladów życia na innych światach.
Wykrywanie życia pozaziemskiego dzięki miniaturowemu czujnikowi
Poszukiwanie życia poza Ziemią należy do najważniejszych celów współczesnej astrobiologii.
Naukowcy od lat analizują Marsa, badają meteoryty i planują misje do odległych księżyców, na których mogą występować warunki sprzyjające procesom biologicznym.
Problem polega na tym, że nawet jeśli w próbce znajdują się związki organiczne, nie zawsze wiadomo, skąd pochodzą.
Niektóre cząsteczki mogą powstawać zarówno w organizmach żywych, jak i podczas zwykłych reakcji chemicznych zachodzących bez udziału życia.
Dlatego samo wykrycie związku organicznego nie wystarczy, aby ogłosić odkrycie pozaziemskich organizmów.
Naukowcy potrzebują metod, które pozwolą dokładniej badać właściwości znalezionych substancji.
Właśnie w tym kierunku zmierza nowe badanie opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications”.
Zespół z Uniwersytetu w Osace opracował technikę wykorzystującą przepływ prądu elektrycznego przez nanometrową szczelinę.
Urządzenie potrafi rozróżniać określone właściwości aminokwasów, które mogą dostarczać wskazówek dotyczących ich pochodzenia.
Aminokwasy mogą zdradzać obecność procesów biologicznych
Aminokwasy są podstawowymi składnikami białek.
W organizmach żywych odgrywają niezwykle ważną rolę, ponieważ uczestniczą w budowaniu struktur komórkowych i wielu procesach biologicznych.
Nie oznacza to jednak, że aminokwasy występują wyłącznie tam, gdzie istnieje życie.
Mogą powstawać także w wyniku procesów chemicznych niezwiązanych z organizmami.
Wykrywano je między innymi w meteorytach.
Dlatego podczas poszukiwania śladów życia naukowcy nie analizują wyłącznie obecności aminokwasów.
Interesują ich również proporcje różnych form tych cząsteczek.
Jedną z najważniejszych właściwości jest ich chiralność.
Czym jest chiralność aminokwasów?
Chiralność oznacza, że cząsteczka może występować w dwóch odmianach będących swoimi lustrzanymi odbiciami.
Najłatwiej wyobrazić to sobie na przykładzie dłoni.
Lewa i prawa dłoń mają bardzo podobną budowę, ale nie można ich idealnie na siebie nałożyć.
Podobnie jest z wieloma cząsteczkami chemicznymi.
Aminokwasy mogą występować w formach oznaczanych literami L i D.
Choć mają taki sam skład chemiczny, różnią się przestrzennym rozmieszczeniem atomów.
Ta pozornie niewielka różnica ma ogromne znaczenie w biologii.
W ziemskich organizmach białka są budowane niemal wyłącznie z aminokwasów w formie L.
Dlatego proporcje form L i D mogą być interesującą wskazówką podczas badania nieznanych próbek.
Dlaczego proporcje L i D są ważne w poszukiwaniu życia?
Jeżeli określony aminokwas powstaje w procesach niebiologicznych, obie jego formy mogą występować w zbliżonych ilościach.
W organizmach żywych sytuacja często wygląda inaczej.
Procesy biologiczne mogą wyraźnie preferować jedną orientację cząsteczek.
Taka przewaga jednej formy nad drugą nazywana jest nadmiarem enancjomerycznym.
W kontekście astrobiologii może być ona potencjalnym biosygnaturowym śladem, czyli wskazówką sugerującą udział procesów biologicznych.
Nie jest to jednak dowód rozstrzygający.
Również niektóre procesy niebiologiczne mogą prowadzić do nierównych proporcji form L i D.
Dodatkowo nie wiemy, czy hipotetyczne życie pozaziemskie wykorzystywałoby dokładnie takie same cząsteczki i preferencje jak organizmy ziemskie.
Mimo tych ograniczeń badanie chiralności pozostaje ważnym narzędziem w poszukiwaniu potencjalnych śladów życia.
Dotychczasowe metody wymagają skomplikowanej aparatury
Rozróżnianie form L i D aminokwasów jest możliwe już od dawna.
Jedną ze stosowanych metod jest chromatografia cieczowa połączona ze spektrometrią mas, określana skrótem LC-MS.
Pozwala ona bardzo dokładnie analizować skład chemiczny próbek.
Problem pojawia się jednak wtedy, gdy podobne urządzenie trzeba umieścić na pokładzie sondy kosmicznej.
Zaawansowana aparatura laboratoryjna może być duża, ciężka i wymagać skomplikowanego przygotowania materiału.
Część metod potrzebuje również większej ilości próbki oraz dodatkowych odczynników.
W warunkach misji kosmicznej każdy gram wyposażenia i każda dodatkowa czynność mają znaczenie.
Dlatego naukowcy poszukują mniejszych, prostszych i bardziej oszczędnych metod analizy chemicznej.
Nowy czujnik opracowany w Japonii może być krokiem w tym kierunku.
Dwa złote nanodruty pozwalają rozpoznawać cząsteczki
Podstawą nowego urządzenia są dwa bardzo małe przewodniki wykonane ze złota.
Oddziela je niezwykle wąska szczelina o rozmiarach nanometrowych.
Takie rozwiązanie określa się jako nanoprzerwę.
W szczelinie zachodzi zjawisko tunelowania kwantowego.
W klasycznym opisie elektrony nie powinny łatwo pokonywać przerwy pomiędzy oddzielonymi przewodnikami.
Mechanika kwantowa pozwala jednak na występowanie niewielkiego prądu tunelowego.
To właśnie zmiany tego prądu naukowcy wykorzystali do wykrywania cząsteczek.
Gdy aminokwas pojawia się w pobliżu szczeliny, może wpływać na mierzone właściwości elektryczne układu.
Powstają charakterystyczne sygnały, które można następnie analizować.
Pojedyncza cząsteczka zmienia przepływ prądu
W eksperymencie naukowcy umieszczali roztwór zawierający aminokwasy na układzie wyposażonym w nanoprzerwę.
Cząsteczki przemieszczające się w pobliżu szczeliny wpływały na prąd tunelowy.
Zmiany były bardzo małe, ale możliwe do zarejestrowania.
W rezultacie powstawały krótkie impulsy elektryczne związane z obecnością poszczególnych cząsteczek.
Największym wyzwaniem było jednak odróżnienie dwóch odmian tego samego aminokwasu.
Formy L i D mają identyczny skład chemiczny.
Różnią się wyłącznie budową przestrzenną.
Odczytanie tej różnicy z sygnałów elektrycznych wymagało zastosowania dodatkowego narzędzia.
Sztuczna inteligencja nauczyła się rozpoznawać formy aminokwasów
Badacze wykorzystali uczenie maszynowe.
Algorytm analizował charakterystyczne wzorce impulsów elektrycznych powstających podczas kontaktu cząsteczek z nanoprzerwą.
Na podstawie tych sygnałów uczył się rozróżniać aminokwasy występujące w formach L i D.
Wyniki okazały się zachęcające.
Według bioinżyniera Takahito Ohshiro z Uniwersytetu w Osace połączenie tunelowania kwantowego z analizą wspomaganą przez sztuczną inteligencję umożliwiło rozróżnianie obu form z dokładnością przekraczającą 80 procent.
To ważne osiągnięcie, ponieważ badacze analizowali właściwości chiralne na poziomie pojedynczych cząsteczek.
Autorzy opisują wynik jako pierwsze takie rozróżnienie chiralności aminokwasów przy użyciu tej metody pomiarowej.
Wykrywanie życia pozaziemskiego może wymagać mniejszych próbek
Jedną z największych zalet nowego podejścia jest niewielka skala całego układu pomiarowego.
Zamiast rozbudowanej aparatury chemicznej wykorzystuje się miniaturowy czujnik elektryczny.
Do uzyskania sygnału nie trzeba analizować jednocześnie dużej liczby cząsteczek.
Technika została opracowana z myślą o pomiarach na poziomie pojedynczych molekuł.
Może to ograniczać ilość materiału potrzebnego do przeprowadzenia analizy.
W przypadku badań kosmicznych byłaby to szczególnie cenna właściwość.
Niektóre próbki pobierane przez sondy i łaziki są trudne do zdobycia, a ich ilość może być bardzo ograniczona.
Urządzenie zdolne badać niewielkie ilości materiału mogłoby więc stanowić interesujące uzupełnienie przyszłych instrumentów astrobiologicznych.
Czujnik przetestowano na materiale z meteorytu Murchison
Naukowcy nie ograniczyli się wyłącznie do laboratoryjnych roztworów aminokwasów.
Postanowili sprawdzić, jak nowa technika poradzi sobie z bardziej złożonymi próbkami.
Jednym z analizowanych materiałów były próbki pochodzące z meteorytu Murchison, który spadł w Australii.
Meteoryty tego rodzaju są szczególnie interesujące dla badaczy chemii organicznej.
Mogą zawierać związki powstałe poza Ziemią, w tym aminokwasy.
Analiza ich składu pomaga lepiej zrozumieć, jakie procesy chemiczne zachodziły w kosmosie przed powstaniem znanych nam organizmów.
Badacze wykorzystali meteoryt jako materiał pozwalający sprawdzić, czy nowa metoda nadaje się do analiz naturalnych próbek o bardziej złożonym składzie.
Kolejne próbki pochodziły z pustyni Atakama
Drugim środowiskiem testowym była pustynia Atakama w Chile.
To jedno z najbardziej suchych miejsc na Ziemi.
Jej ekstremalne warunki sprawiają, że jest często wykorzystywana jako ziemski odpowiednik niektórych środowisk planetarnych.
Naukowcy analizowali próbki gleby pochodzące z tego obszaru.
Celem było sprawdzenie, czy miniaturowy czujnik potrafi dostarczać użytecznych informacji również wtedy, gdy badany materiał zawiera wiele różnych substancji.
W takich warunkach identyfikowanie konkretnych aminokwasów jest trudniejsze niż w przypadku prostych próbek przygotowanych w laboratorium.
Wyniki pozwoliły porównać skuteczność nowego podejścia z tradycyjnymi metodami analizy.
Wyniki były porównywalne z klasycznymi metodami
Masateru Taniguchi z Uniwersytetu w Osace podkreśla, że badania próbek z meteorytu Murchison oraz pustyni Atakama przyniosły zachęcające rezultaty.
Nowy czujnik pozwolił uchwycić najważniejsze cechy składu aminokwasów.
W tym zakresie wyniki były porównywalne z informacjami uzyskiwanymi za pomocą tradycyjnych technik.
Nie oznacza to jednak, że miniaturowe urządzenie osiągnęło identyczną dokładność we wszystkich rodzajach pomiarów.
Badanie pokazuje przede wszystkim, że metoda może dostarczać użytecznych informacji także w przypadku naturalnych, chemicznie złożonych próbek.
To ważny krok w kierunku przyszłych zastosowań poza laboratorium.
Czy nowe urządzenie można umieścić na Marsie?
Potencjalnym zastosowaniem technologii są bezzałogowe sondy i łaziki planetarne.
Takie pojazdy mogłyby pobierać próbki gruntu lub innych materiałów, a następnie analizować znajdujące się w nich aminokwasy.
Zminiaturyzowany czujnik elektryczny mógłby ograniczyć rozmiary i złożoność aparatury potrzebnej do takich badań.
W przyszłości podobne rozwiązanie mogłoby zostać wykorzystane podczas misji na Marsa lub do wybranych księżyców innych planet.
Na razie jednak nie jest to gotowy instrument kosmiczny.
Naukowcy muszą jeszcze przeprowadzić kolejne testy i dopracować konstrukcję.
Potrzebna będzie również ocena jej działania w warunkach charakterystycznych dla rzeczywistych misji.
Największym wyzwaniem pozostają nieznane cząsteczki
Jednym z ograniczeń nowej technologii jest wykorzystanie uczenia maszynowego.
Algorytm rozpoznaje wzorce na podstawie danych, które wcześniej wykorzystano do jego trenowania.
W przypadku badania naturalnych próbek może jednak napotkać związki chemiczne o nieznanych właściwościach.
Takie cząsteczki mogą generować sygnały różniące się od tych, które system już rozpoznaje.
Wtedy poprawna identyfikacja może stać się trudniejsza.
To szczególnie ważne w astrobiologii.
Nie można zakładać, że wszystkie substancje spotykane poza Ziemią będą identyczne z wcześniej przebadanymi związkami.
Dlatego dalszy rozwój metody musi uwzględniać możliwość analizowania nowych i nieznanych cząsteczek.
Dokładność ponad 80 procent to dopiero początek
Osiągnięcie dokładności przekraczającej 80 procent jest interesującym wynikiem eksperymentalnym.
Nie oznacza jednak, że urządzenie jest już gotowe do samodzielnego potwierdzania obecności życia.
W badaniach astrobiologicznych fałszywe rozpoznanie może prowadzić do błędnych wniosków.
Dlatego potencjalne biosygnatury wymagają dokładnej weryfikacji.
Naukowcy będą musieli dalej zwiększać niezawodność czujnika i sprawdzać jego działanie w różnych warunkach.
Istotne będzie również opracowanie procedur pozwalających odróżniać rzeczywiste sygnały chemiczne od zakłóceń i wpływu innych substancji.
Dopiero po takich pracach będzie można dokładniej ocenić możliwości wykorzystania technologii podczas misji kosmicznych.
Czy chiralność wystarczy do potwierdzenia życia pozaziemskiego?
Nie.
Nawet wyraźna przewaga jednej formy aminokwasu nad drugą nie musi automatycznie oznaczać obecności organizmów.
W przyrodzie istnieją również procesy niebiologiczne mogące prowadzić do nierównych proporcji związków chiralnych.
Dlatego analizę aminokwasów należy traktować jako jeden z możliwych elementów szerszych badań.
Do potwierdzenia życia potrzebne byłyby dodatkowe informacje dotyczące środowiska, składu chemicznego i innych potencjalnych oznak aktywności biologicznej.
Nowy czujnik może więc pomóc w identyfikowaniu interesujących próbek.
Nie zastąpi jednak całego procesu naukowej weryfikacji.
Nowa technologia może przydać się również na Ziemi
Choć badanie wzbudza szczególne zainteresowanie ze względu na możliwość wykorzystania w astrobiologii, jego znaczenie może być znacznie szersze.
Analiza chiralności cząsteczek jest ważna również w ziemskich laboratoriach.
Miniaturowe czujniki pozwalające rozpoznawać właściwości aminokwasów mogą być interesujące dla różnych dziedzin analizy chemicznej.
Szczególnie cenna jest możliwość wykrywania pojedynczych cząsteczek za pomocą sygnałów elektrycznych.
Takie podejście może prowadzić do rozwoju nowych metod pomiarowych wymagających mniejszych ilości próbki i mniej rozbudowanej aparatury.
Autorzy badania wskazują więc na potencjalne zastosowania zarówno na Ziemi, jak i poza nią.
Wykrywanie życia pozaziemskiego zyskało nowe narzędzie badawcze
Odkrycie naukowców z Uniwersytetu w Osace nie oznacza, że jesteśmy o krok od potwierdzenia istnienia organizmów na innej planecie.
Pokazuje jednak, jak można rozwijać narzędzia potrzebne do takich poszukiwań.
Zespół opracował miniaturowy czujnik wykorzystujący tunelowanie elektronów pomiędzy dwoma złotymi nanodrutami.
Połączenie pomiarów elektrycznych z uczeniem maszynowym pozwoliło rozróżniać formy L i D aminokwasów z dokładnością przekraczającą 80 procent.
Metodę sprawdzono również na naturalnych próbkach pochodzących z meteorytu Murchison i pustyni Atakama.
Wyniki były zgodne z najważniejszymi cechami składu aminokwasów ustalanymi tradycyjnymi metodami.
To ważne osiągnięcie, choć przed naukowcami nadal pozostaje wiele pracy.
Trzeba zwiększyć niezawodność pomiarów, udoskonalić rozpoznawanie nieznanych cząsteczek i przystosować urządzenie do warunków przyszłych misji.
Wykrywanie życia pozaziemskiego wymaga nie tylko coraz lepszych teleskopów, ale także narzędzi pozwalających dokładnie badać najmniejsze ilości materii.
Być może w przyszłości to właśnie niewielki czujnik elektryczny umieszczony na pokładzie sondy lub łazika pomoże znaleźć chemiczną wskazówkę sugerującą, że gdzieś poza Ziemią zachodzą procesy biologiczne.
Na razie naukowcy pokazali coś równie istotnego: nawet pojedyncza cząsteczka może dostarczać informacji, które trudno uzyskać tradycyjnymi metodami.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Communications .