Bildkredit: UC Berkeley
Samma spjutspetsteknologi som påskyndade sekvensering av det mänskliga genomet kunde i slutet av decenniet säga en gång för alla om livet någonsin funnits på Mars, enligt ett universitet i Kalifornien, Berkeley, kemist.
Richard Mathies, UC Berkeley professor i kemi och utvecklare av de första kapillärelektroforesuppsättningarna och nya fluoriserande färgämnesetiketter för energiöverföring - båda används i dagens DNA-sekvenser - arbetar på ett instrument som skulle använda dessa tekniker för att undersöka Mars-damm för bevis på liv -baserade aminosyror, byggstenarna för proteiner.
Doktorand Alison Skelley vid Rock Garden, en av platserna i Chiles Atacama-öken där forskare samplade mark för aminosyror för att skicka ett instrument till Mars för att leta efter tecken på liv. Ruinerna av staden Yunguy är i bakgrunden. (Foto med tillstånd Richard Mathies lab / UC Berkeley)
Med två utvecklingsbidrag från NASA på totalt 2,4 miljoner dollar hoppas han och teammedlemmar från Jet Propulsion Laboratory (JPL) vid California Institute of Technology och UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography att bygga en Mars Organic Analyzer för att flyga ombord på NASA: s roving, Robotic Mars Science Laboratory-uppdraget och / eller Europeiska rymdorganisationens ExoMars-uppdrag, båda planerade att lanseras 2009. ExoMars-förslaget är i samarbete med Pascale Ehrenfreund, docent i astrokemi vid University of Leiden i Nederländerna.
Mars Organic Analyzer, kallad MOA, letar inte bara efter den kemiska signaturen på aminosyror, utan testar för en kritisk egenskap av livsbaserade aminosyror: De är alla vänsterhänta. Aminosyror kan tillverkas av fysiska processer i rymden - de finns ofta i meteoriter - men de handlar om lika vänster- och högerhänta. Om aminosyror på Mars har preferens för vänsterhänta över högerhänta aminosyror, eller tvärtom, kunde de bara ha kommit från någon livsform på planeten, sade Mathies.
"Vi känner att att mäta homokiralitet - en prevalens av en typ av överlåtelse över en annan - skulle vara ett absolut bevis på livet," säger Mathies, en UC Berkeley-medlem i Kaliforniens institut för kvantitativ biomedicinsk forskning (QB3). "Det är därför vi fokuserade på den här typen av experiment. Om vi åker till Mars och hittar aminosyror men inte mäter deras kiralitet, kommer vi att känna oss väldigt dumt. Vårt instrument kan göra det. ”
MOA är ett av en mängd olika instrument under utveckling med NASA-finansiering för att leta efter närvaron av organiska molekyler på Mars, med slutliga förslag för uppdraget 2009 som kommer att ske i mitten av juli. Mathies och kollegor Jeffrey Bada från Scripps och Frank Grunthaner från JPL, som planerar att lämna in det enda förslaget som testar för aminosyrahantering, har testat analysatorn och visat att det fungerar. Detaljerna för deras förslag finns nu på webben på http://astrobiology.berkeley.edu.
I februari reste Grunthaner och UC Berkeley doktorand Alison Skelley till Atacama-öknen i Chile för att se om aminosyredetektorn - kallad Mars Organic Detector eller MOD - kunde hitta aminosyror i den torraste regionen på planeten. MOD lyckades enkelt. Eftersom den andra hälften av experimentet - "lab-on-a-chip" som testar för aminosyrahantering - ännu inte varit gift med MOD, tog forskarna tillbaka proverna till UC Berkeley för den delen av testa. Skelley har nu framgångsrikt avslutat dessa experiment för att visa att lab-on-a-chip-systemet är kompatibelt med MOD.
"Om du inte kan upptäcka livet i Yungay-regionen i Atacamaöknen, har du inga affärer som går till Mars," sade Mathies, med hänvisning till ökenregionen i Chile där besättningen stannade och genomförde några av sina tester.
Mathies, som för 12 år sedan utvecklade de första kapilläruppsättningselektroforeseparatorerna som marknadsfördes av Amersham Biosciences i deras snabba DNA-sequencers, är övertygade om att hans grupps förbättringar av tekniken som används i genomprojektet kommer att matas perfekt in i prospekteringsprojekten i Mars.
"Med den typ av mikrofluidteknik som vi har utvecklat och vår förmåga att göra matriser av analysatorer in situ som utför mycket enkla experiment relativt billigt, behöver vi inte ha människor på Mars för att utföra värdefulla analyser," sade han. ”Hittills har vi visat att detta system kan upptäcka liv i ett fingeravtryck och att vi kan göra en fullständig analys på fältet. Vi är verkligen glada över framtidsmöjligheterna. ”
Bada, en marinkemist, är exobiologen i teamet, som har utvecklat för nästan ett dussin år sedan ett nytt sätt att testa för aminosyror, aminer (nedbrytningsprodukterna av aminosyror) och polycykliska aromatiska kolväten, organiska föreningar som är vanliga i universum. Det experimentet, MOD, valdes ut för ett uppdrag 2003 till Mars som skrotades när Mars Polar Lander kraschade 1999.
Sedan dess har Bada samarbetat med Mathies för att utveckla ett mer ambitiöst instrument som kombinerar en förbättrad MOD med den nya tekniken för att identifiera och testa chiraliteten hos de upptäckta aminosyrorna.
Det ultimata målet är att hitta bevis på livet på Mars. Vikinglandarna på 1970-talet testade utan framgång för organiska molekyler på Mars, men deras känslighet var så låg att de skulle ha misslyckats med att upptäcka liv även om det fanns en miljon bakterier per gram jord, sade Bada. Nu när NASA rovers Spirit and Opportunity nästan säkert har visat att stående vatten en gång funnits på ytan är målet att hitta organiska molekyler.
Bada's MOD är utformad för att värma Martiska jordprover och, i låga tryck på ytan, förånga alla organiska molekyler som kan finnas. Ångan kondenserar sedan på en kall finger, en fälla kyld till Mars: s omgivningstemperatur på natten, ungefär 100 grader under noll Fahrenheit. Den kalla fingret är belagd med fluorescamine färgämnesspårare som endast binder till aminosyror, så att någon fluorescerande signal indikerar att aminosyror eller aminer är närvarande.
"Just nu kan vi upptäcka en biljon av ett gram aminosyror i ett gram jord, vilket är en miljon gånger bättre än Viking," sade Bada.
Det tillagda kapillärelektroforesystemet sjunker den kondenserade vätskan från kallfingret och siffrar den till ett lab-on-a-chip med inbyggda pumpar och ventiler som leder vätskan förbi kemikalier som hjälper till att identifiera aminosyrorna och kontrollera om handness eller chirality .
"MOD är ett första stegets förfrågan där provet undersöks med avseende på närvaron av alla fluorescerande arter inklusive aminosyror," sade Skelley. ”Sedan gör kapillärelektroforesinstrumentet andra stegets analys, där vi faktiskt löser de olika arterna och kan berätta vad de är. De två instrumenten är utformade för att komplettera och bygga på varandra. ”
”Rich har tagit detta experiment till nästa dimension. Vi har verkligen ett system som fungerar, ”sa Bada. ”När jag började tänka på tester för kiralitet och först pratade med Rich hade vi konceptuella idéer, men ingenting som faktiskt fungerade. Han har tagit det till den punkt där vi har ett bärbart instrument för ärlig-till-Gud. ”
Aminosyror, byggstenarna för proteiner, kan existera i två spegelbildsformer, betecknade L (levo) för vänsterhänta och D (dextro) för högerhänta. Alla proteiner på jorden är sammansatta av aminosyror av L-typen, vilket gör att en kedja av dem kan fällas samman till ett kompakt protein.
Såsom Mathies beskriver det, utnyttjar testet för chiralitet det faktum att vänsterhänta aminosyror passar mer tätt in i en vänsterhändig kemisk "mitt" och högerhänta aminosyror i en högerhänt mitt. Om både vänster- och högerhänta aminosyror reser ner i ett tunt kapillärrör fodrad med vänsterhand-vantar, kommer de vänsterhänta att resa långsammare eftersom de glider in i vantarna på vägen. Det är som en vänsterhändig politiker som arbetar en folkmassa, sa han. Hon kommer att röra sig långsammare de mer vänsterhänderna i mängden, för det är de enda som hon kommer att skaka hand med. I detta fall är vänsterhanden en kemikalie som kallas cyklodextrin.
Olika aminosyror - det finns 20 olika typer som används av människor - reser också ner i röret med olika hastigheter, vilket möjliggör partiell identifiering av de närvarande.
"När aminosyror har upptäckts av MOD pumpas den märkta aminosyralösningen ner i mikrofluidik och separeras grovt med laddning," sade Mathies. "Aminosyrornas rörlighet berättar något om laddning och storlek och när cyklodextriner finns, om vi har en racemisk blandning, det vill säga en lika stor mängd vänster- och högerhänta aminosyror. Om vi gör det kan aminosyrorna vara icke-biologiska. Men om vi ser ett kiralt överskott, vet vi att aminosyrorna måste vara biologiska. "
Det modernaste chipet som designats och byggts av Skelley består av kanaler som är etsade med fotolitografiska tekniker och ett mikrofluidiskt pumpsystem som är inklämt i en fyrskiktsskiva med fyra tum diameter, med lagren anslutna med borrade kanaler. De små mikrofabrikerade ventilerna och pumparna skapas av två glasskikt med en flexibel polymer (PDMS eller polydimetylsiloxan) -membran däremellan, flyttas upp och ner med en tryck- eller vakuumkälla. UC Berkeley fysiska kemist James Scherer, som designade kapillärelektroforesinstrumentet, utvecklade också en känslig fluorescensdetektor som snabbt läser mönstret på chipet.
En av teamets nuvarande NASA-bidrag är för utveckling av ett nästa generations mikrofabricerat organiskt laboratorium, eller MOL, för att flyga till Mars, Jupiters måne Europa eller kanske en komet och genomföra ännu mer utarbetade kemiska tester på jakt efter en mer fullständig uppsättning organiska molekyler, inklusive nukleinsyror, DNA-strukturella enheter. För närvarande är emellertid målet ett instrument som är klart till 2009 för att gå längre än de nuvarande experimenten ombord på Mars 2003-rovers och leta efter aminosyror.
"Du måste komma ihåg att vi hittills inte har upptäckt något organiskt material på Mars, så det skulle vara ett enormt steg framåt," sa Bada. ”I jakten på livet finns det två krav: vatten och organiska föreningar. Med de senaste slutsatserna från Mars, som tyder på att vatten finns, är de återstående okända organiska föreningarna. Det är därför vi fokuserar på detta.
"Mars Organic Analyzer är ett mycket kraftfullt experiment, och vårt stora hopp är att inte bara hitta aminosyror, utan aminosyror som ser ut som om de kan komma från någon slags levande enhet."
Originalkälla: Berkeley News Release
