Afbeelding tegoed: UC Berkeley
Dezelfde geavanceerde technologie die de sequentiebepaling van het menselijk genoom versnelde, zou ons tegen het einde van het decennium voor eens en altijd kunnen vertellen of leven ooit op Mars heeft bestaan, volgens een chemicus van de University of California, Berkeley.
Richard Mathies, UC Berkeley hoogleraar chemie en ontwikkelaar van de eerste capillaire elektroforese-arrays en nieuwe fluorescente kleurstoflabels voor energieoverdracht - beide gebruikt in de huidige DNA-sequencers - werkt aan een instrument dat deze technologieën zou gebruiken om Marsstof te onderzoeken als bewijs van leven -gebaseerde aminozuren, de bouwstenen van eiwitten.
Afgestudeerde student Alison Skelley in de Rotstuin, een van de locaties in de Chileense Atacama-woestijn, waar onderzoekers grond bemonsterden op aminozuren ter voorbereiding op het sturen van een instrument naar Mars om tekenen van leven te zoeken. Op de achtergrond staan de ruïnes van de stad Yunguy. (Foto met dank aan Richard Mathies lab / UC Berkeley)
Met twee ontwikkelingssubsidies van NASA voor een totaalbedrag van bijna $ 2,4 miljoen hopen hij en teamleden van het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van het California Institute of Technology en UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography een Mars Organic Analyzer te bouwen om aan boord van NASA's zwervers te vliegen, robotachtige Mars Science Laboratory-missie en / of de ExoMars-missie van de European Space Agency, beide gepland voor lancering in 2009. Het ExoMars-voorstel is in samenwerking met Pascale Ehrenfreund, universitair hoofddocent astrochemie aan de Universiteit van Leiden in Nederland.
De Mars Organic Analyzer, ook wel MOA genoemd, zoekt niet alleen naar de chemische signatuur van aminozuren, maar test ook naar een kritisch kenmerk van levensechte aminozuren: ze zijn allemaal linkshandig. Aminozuren kunnen worden gemaakt door fysieke processen in de ruimte - ze worden vaak aangetroffen in meteorieten - maar ze zijn ongeveer even links- en rechtshandig. Als aminozuren op Mars een voorkeur hebben voor linkshandige rechtshandige aminozuren, of andersom, dan zouden ze alleen uit een of andere levensvorm op de planeet kunnen komen, zei Mathies.
"We zijn van mening dat het meten van homochiraliteit - een prevalentie van het ene type overhandigheid boven het andere - een absoluut bewijs van leven zou zijn", zegt Mathies, lid van UC Berkeley van het California Institute for Quantitative Biomedical Research (QB3). 'Daarom hebben we ons gericht op dit soort experimenten. Als we naar Mars gaan om aminozuren te vinden maar hun chiraliteit niet meten, zullen we ons heel dom voelen. Ons instrument kan het. '
De MOA is een van de vele instrumenten die in ontwikkeling zijn met NASA-financiering om te zoeken naar de aanwezigheid van organische moleculen op Mars, en de definitieve voorstellen voor de missie van 2009 worden medio juli verwacht. Mathies en collega's Jeffrey Bada van Scripps en Frank Grunthaner van JPL, die van plan zijn het enige voorstel in te dienen dat test op de handhaving van aminozuren, hebben de analysator op de proef gesteld en laten zien dat het werkt. De details van hun voorstel staan nu op het web op http://astrobiology.berkeley.edu.
In februari reisden Alun Skelley, afgestudeerd aan Grunthaner en UC Berkeley, naar de Atacama-woestijn in Chili om te zien of de aminozuurdetector - de Mars Organic Detector of MOD genoemd - aminozuren kon vinden in de droogste regio van de planeet. De MOD is daar gemakkelijk in geslaagd. Maar omdat de tweede helft van het experiment - het "lab-on-a-chip" dat de handigheid van aminozuren test - nog niet getrouwd was met de MOD, brachten de onderzoekers de monsters terug naar UC Berkeley voor dat deel van de test. Skelley heeft deze experimenten nu met succes afgerond, wat de compatibiliteit van het lab-on-a-chip-systeem met de MOD aantoont.
"Als je het leven in de Yungay-regio van de Atacama-woestijn niet kunt detecteren, hoef je niet naar Mars te gaan", zei Mathies, verwijzend naar het woestijngebied in Chili waar de bemanning verbleef en enkele van hun tests uitvoerde.
Mathies, die 12 jaar geleden de eerste capillaire array-elektroforesescheiders ontwikkelde die door Amersham Biosciences op de markt worden gebracht in hun snelle DNA-sequencers, is ervan overtuigd dat de verbeteringen van zijn groep aan de technologie die wordt gebruikt in het genoomproject, perfect zullen worden meegenomen in de Mars-exploratieprojecten.
"Met het soort microfluïdische technologie dat we hebben ontwikkeld en ons vermogen om arrays te maken van in situ analysers die relatief goedkope experimenten uitvoeren, hoeven we geen mensen op Mars te hebben om waardevolle analyses uit te voeren," zei hij. "Tot dusver hebben we aangetoond dat dit systeem het leven in een vingerafdruk kan detecteren en dat we een volledige analyse in het veld kunnen uitvoeren. We zijn erg enthousiast over de toekomstige mogelijkheden. "
Bada, een mariene chemicus, is de exobioloog van het team en heeft bijna twaalf jaar geleden een nieuwe manier ontwikkeld om te testen op aminozuren, amines (de afbraakproducten van aminozuren) en polycyclische aromatische koolwaterstoffen, organische verbindingen die veel voorkomen in het universum. Dat experiment, MOD, werd geselecteerd voor een missie naar Mars in 2003 die werd gesloopt toen de Mars Polar Lander in 1999 neerstortte.
Sindsdien werkt Bada samen met Mathies om een ambitieuzer instrument te ontwikkelen dat een verbeterde MOD combineert met de nieuwe technologie voor het identificeren en testen van de chiraliteit van de gedetecteerde aminozuren.
Het uiteindelijke doel is om bewijs van leven op Mars te vinden. De Viking-landers testten in de jaren zeventig zonder succes op organische moleculen op Mars, maar hun gevoeligheid was zo laag dat ze het leven niet zouden hebben gedetecteerd, zelfs als er een miljoen bacteriën per gram aarde waren, zei Bada. Nu de NASA-rovers Spirit en Opportunity vrijwel zeker hebben aangetoond dat er ooit stilstaand water aan de oppervlakte was, is het de bedoeling om organische moleculen te vinden.
De MOD van Bada is ontworpen om bodemmonsters van Mars te verwarmen en, bij lage druk aan het oppervlak, alle aanwezige organische moleculen te verdampen. De damp condenseert dan op een koude vinger, een val die is afgekoeld tot de nachtelijke omgevingstemperatuur van Mars, ongeveer 100 graden onder nul Fahrenheit. De koude vinger is bedekt met fluorescamine kleurstof-tracers die alleen binden aan aminozuren, zodat elk fluorescerend signaal aangeeft dat aminozuren of amines aanwezig zijn.
"Op dit moment kunnen we een biljoenste van een gram aminozuren detecteren in een gram aarde, wat een miljoen keer beter is dan Viking", zei Bada.
Het toegevoegde capillaire elektroforesesysteem zuigt de gecondenseerde vloeistof van de koude vinger af en sifoneert het naar een lab-on-a-chip met ingebouwde pompen en kleppen die de vloeistof langs chemicaliën leiden die de aminozuren helpen identificeren en controleren op handigheid of chiraliteit .
"MOD is een eerste fase van ondervraging waarbij het monster wordt onderzocht op de aanwezigheid van fluorescerende soorten, waaronder aminozuren," zei Skelley. “Vervolgens doet het capillaire elektroforeseapparaat de analyse in de tweede fase, waarbij we die verschillende soorten daadwerkelijk oplossen en kunnen zien wat ze zijn. De twee instrumenten zijn ontworpen om elkaar aan te vullen en erop voort te bouwen. ”
'Rich heeft dit experiment naar een volgende dimensie gebracht. We hebben echt een systeem dat werkt, 'zei Bada. 'Toen ik begon na te denken over tests voor chiraliteit en eerst met Rich sprak, hadden we conceptuele ideeën, maar niets dat echt functioneerde. Hij heeft het zo ver gebracht dat we een eerlijk, God-draagbaar instrument hebben. '
Aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, kunnen voorkomen in twee spiegelbeeldvormen, L (levo) voor linkshandig en D (dextro) voor rechtshandig. Alle eiwitten op aarde zijn samengesteld uit aminozuren van het L-type, waardoor een ketting mooi kan worden opgevouwen tot een compact eiwit.
Zoals Mathies het beschrijft, profiteert de test voor chiraliteit van het feit dat linkshandige aminozuren beter passen in een linkshandige chemische 'want' en rechtshandige aminozuren in een rechtshandige handschoen. Als zowel links- als rechtshandige aminozuren door een dunne capillaire buis lopen die is bekleed met linkshandige wanten, zullen de linkshandige langzamer reizen omdat ze onderweg in de wanten glijden. Het is net een linkshandige politicus die in een menigte werkt, zei hij. Ze zal langzamer bewegen naarmate de meer linkshandige mensen in de menigte, omdat dat de enige mensen zijn die ze de hand zal schudden. In dit geval is de linkshandige handschoen een chemische stof die cyclodextrine wordt genoemd.
Verschillende aminozuren - er zijn 20 verschillende soorten die door mensen worden gebruikt - reizen ook met verschillende snelheden door de buis, waardoor de aanwezigen gedeeltelijk kunnen worden geïdentificeerd.
"Nadat aminozuren door MOD zijn gedetecteerd, wordt de gelabelde aminozuuroplossing in microfluïdica gepompt en grof gescheiden door lading", zei Mathies. “De mobiliteit van de aminozuren vertelt ons iets over lading en grootte en, als cyclodextrines aanwezig zijn, of we een racemisch mengsel hebben, dat wil zeggen een gelijke hoeveelheid links- en rechtshandige aminozuren. Als we dat doen, kunnen de aminozuren niet-biologisch zijn. Maar als we een chirale overmaat zien, weten we dat de aminozuren van biologische oorsprong moeten zijn. '
De ultramoderne chip, ontworpen en gebouwd door Skelley, bestaat uit kanalen die zijn geëtst door fotolithografische technieken en een microfluïdisch pompsysteem dat is ingeklemd in een vierlagige schijf van vier inch in diameter, waarbij de lagen zijn verbonden door geboorde kanalen. De kleine microgefabriceerde kleppen en pompen zijn gemaakt van twee glaslagen met daartussen een flexibel polymeer (PDMS of polydimethylsiloxaan) membraan, op en neer bewogen met een druk- of vacuümbron. Fysica-chemicus James Berker van UC Berkeley, die het capillaire elektroforese-instrument ontwierp, ontwikkelde ook een gevoelige fluorescentiedetector die snel het patroon op de chip leest.
Een van de huidige NASA-subsidies is voor de ontwikkeling van een micro-geabsorbeerd biologisch laboratorium van de volgende generatie, of MOL, om naar Mars, Jupiter's maan Europa of misschien een komeet te vliegen en nog uitgebreidere chemische tests uit te voeren op zoek naar een completere set organische moleculen, waaronder nucleïnezuren, de structurele eenheden van DNA. Voorlopig is het doel echter een instrument dat in 2009 gereed is om verder te gaan dan de huidige experimenten aan boord van de Mars 2003-rovers en op zoek te gaan naar aminozuren.
'Je moet onthouden dat we tot nu toe geen organisch materiaal op Mars hebben gedetecteerd, dus dat zou een enorme stap voorwaarts zijn', zei Bada. “Bij de jacht op leven zijn er twee vereisten: water en organische verbindingen. Met de recente bevindingen van de Mars-rovers die suggereren dat er water aanwezig is, is het resterende onbekende organische verbindingen. Daarom concentreren we ons hierop.
"De Mars Organic Analyzer is een zeer krachtig experiment en het is onze grote hoop om niet alleen aminozuren te vinden, maar ook aminozuren die eruitzien alsof ze afkomstig kunnen zijn van een soort levend wezen."
Oorspronkelijke bron: Berkeley News Release
