Billedkredit: UC Berkeley
Den samme banebrydende teknologi, der fremskyndede sekvensbestemmelse af det menneskelige genom, kunne ved udgangen af tiåret fortælle os en gang for alle, om der nogensinde eksisterede liv på Mars, ifølge et universitet i Californien, Berkeley, kemiker.
Richard Mathies, UC Berkeley professor i kemi og udvikler af de første kapillære elektroforese arrays og nye energioverførsels fluorescerende farvestoffer etiketter - begge anvendt i nutidens DNA-sequencere - arbejder på et instrument, der vil bruge disse teknologier til at undersøge Mars-støv til bevis for liv -baserede aminosyrer, byggestenene til proteiner.
Kandidatstuderende Alison Skelley i Rock Garden, et af stederne i Chiles Atacama-ørken, hvor forskere prøvetagede jord til aminosyrer i forberedelse til at sende et instrument til Mars for at se efter livstegn. Ruinerne af byen Yunguy er i baggrunden. (Foto høflighed Richard Mathies lab / UC Berkeley)
Med to udviklingsbevillinger fra NASA på i alt næsten 2,4 millioner dollars håber han og teammedlemmer fra Jet Propulsion Laboratory (JPL) ved California Institute of Technology og UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography at opbygge en Mars Organic Analyzer til at flyve ombord på NASAs ture Robotic Mars Science Laboratory-mission og / eller Det Europæiske Rumagenturs ExoMars-mission, begge planlagt til lancering i 2009. ExoMars-forslaget er i samarbejde med Pascale Ehrenfreund, lektor i astrokemi ved University of Leiden i Holland.
Mars Organic Analyzer, kaldet MOA, ser ikke kun efter den kemiske signatur af aminosyrer, men tester for et kritisk træk ved livsbaserede aminosyrer: De er alle venstrehåndede. Aminosyrer kan fremstilles ved fysiske processer i rummet - de findes ofte i meteoritter - men de handler om lige så venstre- og højrehåndede. Hvis aminosyrer på Mars foretrækker venstrehåndede højrehåndede aminosyrer, eller omvendt, kunne de kun komme fra en eller anden livsform på planeten, sagde Mathies.
”Vi føler, at måling af homokiralitet - en udbredelse af en type overdragelse over en anden - ville være et absolut bevis på livet,” sagde Mathies, et UC Berkeley-medlem af Californiens institut for kvantitativ biomedicinsk forskning (QB3). ”Derfor fokuserede vi på denne type eksperiment. Hvis vi tager til Mars og finder aminosyrer, men ikke måler deres chiralitet, vil vi føle os meget tåbelig. Vores instrument kan gøre det. ”
MOA er et af en række forskellige instrumenter under udvikling med NASA-finansiering til at se efter tilstedeværelsen af organiske molekyler på Mars med endelige forslag til 2009-missionen, der skal i midten af juli. Mathies og kolleger Jeffrey Bada fra Scripps og Frank Grunthaner fra JPL, der planlægger at forelægge det eneste forslag, der tester for aminosyreudlevering, har sat analysatoren på prøve og vist, at den fungerer. Detaljerne om deres forslag findes nu på Internettet på http://astrobiology.berkeley.edu.
I februar rejste Grunthaner og UC Berkeley kandidatstuderende Alison Skelley til Atacama-ørkenen i Chile for at se, om aminosyredetektoren - kaldet Mars Organic Detector eller MOD - kunne finde aminosyrer i den tørreste region på planeten. MOD lykkedes let. Fordi den anden halvdel af eksperimentet - "lab-on-a-chip", der testede for aminosyreudlevering - endnu ikke var blevet gift med MOD, førte forskerne prøverne tilbage til UC Berkeley for den del af prøve. Skelley er nu med succes færdig med disse eksperimenter, der demonstrerer foreneligheden mellem lab-on-a-chip-systemet og MOD.
”Hvis du ikke kan opdage liv i Yungay-regionen i Atacama-ørkenen, har du ingen forretning til Mars,” sagde Mathies og henviste til ørkenregionen i Chile, hvor besætningen opholdt sig og gennemførte nogle af deres test.
Mathies, der for 12 år siden udviklede de første kapillære arrayelektroforeseparatorer, der blev markedsført af Amersham Biosciences i deres hurtige DNA-sequencere, er overbevist om, at hans gruppes forbedringer af teknologien, der anvendes i genomprojektet, vil føde perfekt ind i Mars-efterforskningsprojekterne.
”Med den slags mikrofluidteknologi, vi har udviklet, og vores evne til at lave arrays af in situ-analysatorer, der udfører meget enkle eksperimenter relativt billigt, behøver vi ikke at have mennesker på Mars til at udføre værdifulde analyser,” sagde han. ”Indtil videre har vi vist, at dette system kan registrere liv i et fingeraftryk, og at vi kan gøre en komplet analyse på området. Vi er virkelig begejstrede for fremtidens muligheder. ”
Bada, en marinekemiker, er eksobiologen i teamet, efter at have udviklet for næsten et dusin år siden en ny måde at teste for aminosyrer, aminer (nedbrydningsprodukterne af aminosyrer) og polycykliske aromatiske kulbrinter, organiske forbindelser, der er almindelige i universet. Dette eksperiment, MOD, blev valgt til en mission i Mars 2003, der blev skrotet, da Mars Polar Lander styrtede ned i 1999.
Siden da har Bada slået sig sammen med Mathies for at udvikle et mere ambitiøst instrument, der kombinerer en forbedret MOD med den nye teknologi til identificering og test af chiraliteten af de detekterede aminosyrer.
Det ultimative mål er at finde bevis på livet på Mars. Vikingelandere i 1970'erne testede uden held for organiske molekyler på Mars, men deres følsomhed var så lav, at de ikke ville have fundet noget liv, selvom der var en million bakterier pr. Gram jord, sagde Bada. Nu, hvor NASA rovers Spirit og Opportunity næsten helt sikkert har vist, at stående vand engang eksisterede på overfladen, er målet at finde organiske molekyler.
Bada's MOD er designet til at opvarme Marsjordprøver og fordampe organiske molekyler, der måtte være til stede i det lave tryk på overfladen. Dampen kondenseres derefter på en kold finger, en fælde, der afkøles til Mars 'omgivende nattetemperatur, cirka 100 grader under nul Fahrenheit. Den kolde finger er belagt med fluorescaminfarvestoffer, der kun binder til aminosyrer, så ethvert fluorescerende signal indikerer, at aminosyrer eller aminer er til stede.
”Lige nu er vi i stand til at registrere en billion af et gram aminosyrer i et gram jord, hvilket er en million gange bedre end Viking,” sagde Bada.
Det tilføjede kapillære elektroforese-system nipper den kondenserede væske fra den kolde finger og forsyner den til en lab-on-a-chip med indbyggede pumper og ventiler, der leder væsken forbi kemikalier, der hjælper med at identificere aminosyrerne og kontrollere for håndethed eller chiralitet .
"MOD er en første fase-afhør, hvor prøven undersøges for tilstedeværelsen af en hvilken som helst fluorescerende arter, herunder aminosyrer," sagde Skelley. ”Derefter gør kapillærelektroforeseinstrumentet anden fase analyse, hvor vi rent faktisk løser de forskellige arter og kan fortælle, hvad de er. De to instrumenter er designet til at komplementere og bygge på hinanden. ”
”Rich har taget dette eksperiment ind i den næste dimension. Vi har virkelig et system, der fungerer, ”sagde Bada. ”Da jeg begyndte at tænke på tests for chiralitet og først talte med Rich, havde vi konceptuelle ideer, men intet, der faktisk fungerede. Han har taget det til det punkt, hvor vi har et ærligt-til-Gud bærbart instrument. ”
Aminosyrer, byggestenene til proteiner, kan findes i to spejlbilledeformer, betegnet L (levo) til venstrehåndede og D (dextro) til højrehåndede. Alle proteiner på Jorden er sammensat af aminosyrer af L-typen, hvilket gør det muligt for en kæde af dem at foldes fint sammen til et kompakt protein.
Som Mathies beskriver det, drager testen for chiralitet fordel af det faktum, at venstrehåndede aminosyrer passer mere tæt i en venstrehåndet kemisk “mitt” og højrehåndede aminosyrer i en højrehåndet mitt. Hvis både venstre- og højrehåndede aminosyrer rejser ned i et tyndt kapillarrør foret med venstrehåndsvotter, vil de venstrehåndede rejse langsommere, fordi de glider ind i votterne undervejs. Det er som en venstrevridt politiker, der arbejder en mængde, sagde han. Hun bevæger sig langsomt de mere venstrehåndede i mængden, fordi det er de eneste, hun vil ryste hænder med. I dette tilfælde er den venstrehåndede mitt et kemikalie kaldet cyclodextrin.
Forskellige aminosyrer - der er 20 forskellige typer brugt af mennesker - rejser også ned i røret i forskellige hastigheder, hvilket tillader delvis identifikation af de tilstedeværende.
”Når aminosyrer er opdaget af MOD, pumpes den mærkede aminosyreopløsning ned i mikrofluidik og adskilles groft ved ladning,” sagde Mathies. ”Aminosyrernes mobilitet fortæller os noget om ladning og størrelse, og når cyclodextriner er til stede, om vi har en racemisk blanding, det vil sige en lige stor mængde venstre- og højrehåndede aminosyrer. Hvis vi gør det, kan aminosyrerne være ikke-biologiske. Men hvis vi ser et chiralt overskud, ved vi, at aminosyrerne skal være biologiske. ”
Den avancerede chip designet og bygget af Skelley består af kanaler, der er ætset ved fotolitografiske teknikker, og et mikrofluidisk pumpesystem, der er klemt fast i en firlagsskive med fire inches i diameter, med lagene forbundet med borede kanaler. De små mikrofabrikerede ventiler og pumper er skabt af to glaslag med en fleksibel polymer (PDMS eller polydimethylsiloxan) -membran imellem, flyttes op og ned ved hjælp af en tryk- eller vakuumkilde. UC Berkeley fysiske kemiker James Scherer, som designede kapillærelektroforeseinstrumentet, udviklede også en følsom fluorescensdetektor, der hurtigt læser mønsteret på chippen.
En af holdets nuværende tilskud fra NASA er til udvikling af et næste generations mikrofabrikeret organisk laboratorium, eller MOL, til at flyve til Mars, Jupiters måne Europa eller måske en komet og gennemføre endnu mere detaljerede kemiske test på jagt efter et mere komplet sæt organisk molekyler, herunder nukleinsyrer, de strukturelle enheder af DNA. For nuværende tidspunkt er målet imidlertid et instrument, der er klar til i 2009 til at gå ud over de nuværende eksperimenter ombord på Mars 2003-roverne og se efter aminosyrer.
”Du skal huske, indtil videre har vi ikke fundet noget organisk materiale på Mars, så det ville være et enormt skridt fremad,” sagde Bada. ”I jagt på liv er der to krav: vand og organiske forbindelser. Med de nylige fund af Mars-rovers, der antyder, at der er vand, er det resterende ukendte organiske forbindelser. Derfor fokuserer vi på dette.
"Mars Organic Analyzer er et meget kraftfuldt eksperiment, og vores store håb er at finde ikke kun aminosyrer, men aminosyrer, der ser ud som om de kunne komme fra en slags levende enhed."
Original kilde: Berkeley News Release
