Bildnachweis: UC Berkeley
Dieselbe Spitzentechnologie, die die Sequenzierung des menschlichen Genoms beschleunigte, könnte uns bis zum Ende des Jahrzehnts ein für alle Mal sagen, ob es jemals Leben auf dem Mars gegeben hat, so ein Chemiker der University of California in Berkeley.
Richard Mathies, Professor für Chemie an der UC Berkeley und Entwickler der ersten Kapillarelektrophorese-Arrays und neuen Fluoreszenzfarbstoff-Markierungen für den Energietransfer - beide in heutigen DNA-Sequenzierern verwendet - arbeitet an einem Instrument, mit dem diese Technologien Marsstaub auf Lebensnachweise untersuchen sollen Aminosäuren, die Bausteine von Proteinen.
Die Doktorandin Alison Skelley im Steingarten, einem der Orte in der chilenischen Atacama-Wüste, an dem Forscher den Boden auf Aminosäuren untersuchten, um ein Instrument zum Mars zu schicken, um nach Lebenszeichen zu suchen. Die Ruinen der Stadt Yunguy sind im Hintergrund. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Richard Mathies Lab / UC Berkeley)
Mit zwei Entwicklungszuschüssen der NASA in Höhe von insgesamt fast 2,4 Millionen US-Dollar hoffen er und seine Teammitglieder vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) am California Institute of Technology und der Scripps Institution of Oceanography der UC San Diego, einen Mars Organic Analyzer für den Flug an Bord der NASA zu bauen. Roboter-Mission des Mars Science Laboratory und / oder ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation, beide für 2009 geplant. Der ExoMars-Vorschlag wurde in Zusammenarbeit mit Pascale Ehrenfreund, außerordentlicher Professor für Astrochemie an der Universität Leiden in den Niederlanden, erstellt.
Der Mars Organic Analyzer, MOA genannt, sucht nicht nur nach der chemischen Signatur von Aminosäuren, sondern testet auch ein kritisches Merkmal lebensbasierter Aminosäuren: Sie sind alle Linkshänder. Aminosäuren können durch physikalische Prozesse im Weltraum hergestellt werden - sie kommen häufig in Meteoriten vor -, aber sie sind ungefähr gleich links- und rechtshändig. Wenn Aminosäuren auf dem Mars linkshändige gegenüber rechtshändigen Aminosäuren bevorzugen oder umgekehrt, könnten sie nur aus einer bestimmten Lebensform auf dem Planeten stammen, sagte Mathies.
"Wir glauben, dass die Messung der Homochiralität - eine Prävalenz einer Art von Händigkeit gegenüber einer anderen - ein absoluter Lebensbeweis wäre", sagte Mathies, UC Berkeley-Mitglied des California Institute for Quantitative Biomedical Research (QB3). „Deshalb haben wir uns auf diese Art von Experiment konzentriert. Wenn wir zum Mars gehen und Aminosäuren finden, aber deren Chiralität nicht messen, werden wir uns sehr dumm fühlen. Unser Instrument kann das. “
Das MOA ist eines von verschiedenen Instrumenten, die mit Mitteln der NASA entwickelt werden, um das Vorhandensein organischer Moleküle auf dem Mars zu untersuchen. Die endgültigen Vorschläge für die Mission 2009 sollen Mitte Juli vorliegen. Mathies und seine Kollegen Jeffrey Bada von Scripps und Frank Grunthaner von JPL, die den einzigen Vorschlag einreichen wollen, der die Händigkeit von Aminosäuren testet, haben den Analysator getestet und gezeigt, dass er funktioniert. Die Details ihres Vorschlags sind jetzt im Internet unter http://astrobiology.berkeley.edu verfügbar.
Im Februar reisten Alison Skelley, Absolventin von Grunthaner und UC Berkeley, in die chilenische Atacama-Wüste, um zu sehen, ob der Aminosäuredetektor - Mars Organic Detector oder MOD genannt - Aminosäuren in der trockensten Region des Planeten finden könnte. Der MOD war leicht erfolgreich. Da die zweite Hälfte des Experiments - das „Lab-on-a-Chip“, das die Händigkeit von Aminosäuren testet - noch nicht mit dem MOD verheiratet war, brachten die Forscher die Proben für diesen Teil des Projekts an die UC Berkeley zurück Prüfung. Skelley hat diese Experimente nun erfolgreich abgeschlossen, um die Kompatibilität des Lab-on-a-Chip-Systems mit dem MOD zu demonstrieren.
"Wenn Sie das Leben in der Yungay-Region der Atacama-Wüste nicht entdecken können, haben Sie nichts damit zu tun, zum Mars zu gehen", sagte Mathies und bezog sich auf die Wüstenregion in Chile, in der die Besatzung blieb und einige ihrer Tests durchführte.
Mathies, der vor 12 Jahren die ersten Kapillararray-Elektrophorese-Separatoren entwickelt hat, die Amersham Biosciences in seinen schnellen DNA-Sequenzierern vermarktet, ist zuversichtlich, dass die Verbesserungen seiner Gruppe an der im Genomprojekt verwendeten Technologie perfekt in die Mars-Explorationsprojekte einfließen werden.
"Mit der von uns entwickelten Mikrofluidik-Technologie und unserer Fähigkeit, Anordnungen von In-situ-Analysatoren herzustellen, die relativ kostengünstig sehr einfache Experimente durchführen, brauchen wir keine Menschen auf dem Mars, um wertvolle Analysen durchzuführen", sagte er. „Bisher haben wir gezeigt, dass dieses System das Leben in einem Fingerabdruck erkennen kann und dass wir eine vollständige Analyse vor Ort durchführen können. Wir sind sehr gespannt auf die zukünftigen Möglichkeiten. "
Bada, ein Meereschemiker, ist der Exobiologe des Teams, der vor fast einem Dutzend Jahren eine neuartige Methode entwickelt hat, um Aminosäuren, Amine (die Abbauprodukte von Aminosäuren) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe zu testen, organische Verbindungen, die im Universum üblich sind. Dieses Experiment, MOD, wurde für eine Mission zum Mars im Jahr 2003 ausgewählt, die verschrottet wurde, als der Mars Polar Lander 1999 abstürzte.
Seitdem hat Bada gemeinsam mit Mathies ein ehrgeizigeres Instrument entwickelt, das ein verbessertes MOD mit der neuen Technologie zur Identifizierung und Prüfung der Chiralität der nachgewiesenen Aminosäuren kombiniert.
Das ultimative Ziel ist es, Beweise für das Leben auf dem Mars zu finden. Die Wikingerlander in den 1970er Jahren testeten erfolglos auf organische Moleküle auf dem Mars, aber ihre Empfindlichkeit war so gering, dass sie selbst bei einer Million Bakterien pro Gramm Boden kein Leben entdeckt hätten, sagte Bada. Nachdem die NASA-Rover Spirit and Opportunity mit ziemlicher Sicherheit gezeigt haben, dass einst stehendes Wasser an der Oberfläche vorhanden war, besteht das Ziel darin, organische Moleküle zu finden.
Badas MOD wurde entwickelt, um Marsbodenproben zu erhitzen und bei niedrigen Drücken an der Oberfläche eventuell vorhandene organische Moleküle zu verdampfen. Der Dampf kondensiert dann zu einem kalten Finger, einer Falle, die auf die nächtliche Umgebungstemperatur des Mars abgekühlt ist, ungefähr 100 Grad unter Null Fahrenheit. Der kalte Finger ist mit Fluorescamin-Farbstoff-Tracern beschichtet, die nur an Aminosäuren binden, so dass jedes Fluoreszenzsignal anzeigt, dass Aminosäuren oder Amine vorhanden sind.
"Im Moment können wir ein Billionstel Gramm Aminosäuren in einem Gramm Boden nachweisen, was millionenfach besser ist als bei Viking", sagte Bada.
Das hinzugefügte Kapillarelektrophoresesystem leitet die kondensierte Flüssigkeit vom kalten Finger ab und leitet sie an ein Labor auf einem Chip mit eingebauten Pumpen und Ventilen weiter, die die Flüssigkeit an Chemikalien vorbei leiten, die bei der Identifizierung der Aminosäuren helfen und auf Händigkeit oder Chiralität prüfen .
"MOD ist eine erste Befragungsstufe, bei der die Probe auf das Vorhandensein fluoreszierender Spezies einschließlich Aminosäuren untersucht wird", sagte Skelley. „Dann führt das Kapillarelektrophorese-Instrument die Analyse der zweiten Stufe durch, bei der wir diese verschiedenen Arten tatsächlich auflösen und erkennen können, was sie sind. Die beiden Instrumente sollen sich ergänzen und aufeinander aufbauen. “
„Rich hat dieses Experiment in die nächste Dimension gebracht. Wir haben wirklich ein System, das funktioniert “, sagte Bada. „Als ich über Chiralitätstests nachdachte und zum ersten Mal mit Rich sprach, hatten wir konzeptionelle Ideen, aber nichts, was tatsächlich funktionierte. Er hat es zu einem Punkt gebracht, an dem wir ein tragbares Instrument haben, das ehrlich zu Gott ist. “
Aminosäuren, die Bausteine von Proteinen, können in zwei spiegelbildlichen Formen vorliegen, die als L (Levo) für Linkshänder und D (Dextro) für Rechtshänder bezeichnet werden. Alle Proteine auf der Erde bestehen aus Aminosäuren vom Typ L, so dass sich eine Kette von ihnen gut zu einem kompakten Protein falten kann.
Wie Mathies es beschreibt, nutzt der Chiralitätstest die Tatsache, dass linkshändige Aminosäuren besser in einen linkshändigen chemischen „Fausthandschuh“ und rechtshändige Aminosäuren in einen rechtshändigen Handschuh passen. Wenn sowohl linkshändige als auch rechtshändige Aminosäuren durch ein dünnes Kapillarröhrchen wandern, das mit linkshändigen Handschuhen ausgekleidet ist, bewegen sich die linkshändigen langsamer, weil sie auf dem Weg in die Handschuhe rutschen. Es ist wie mit einem linkshändigen Politiker, der in einer Menschenmenge arbeitet, sagte er. Sie wird sich langsamer bewegen, je mehr Linkshänder in der Menge sind, denn dies sind die einzigen Menschen, denen sie die Hand geben wird. In diesem Fall ist der linkshändige Handschuh eine Chemikalie namens Cyclodextrin.
Verschiedene Aminosäuren - es gibt 20 verschiedene Arten, die vom Menschen verwendet werden - wandern ebenfalls mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch das Röhrchen, was eine teilweise Identifizierung der vorhandenen ermöglicht.
"Nachdem Aminosäuren durch MOD nachgewiesen wurden, wird die markierte Aminosäurelösung in die Mikrofluidik abgepumpt und durch Ladung grob getrennt", sagte Mathies. „Die Mobilität der Aminosäuren sagt etwas über Ladung und Größe aus und wenn Cyclodextrine vorhanden sind, ob wir eine racemische Mischung haben, dh eine gleiche Menge an links- und rechtshändigen Aminosäuren. In diesem Fall könnten die Aminosäuren nicht biologisch sein. Wenn wir jedoch einen chiralen Überschuss sehen, wissen wir, dass die Aminosäuren biologischen Ursprungs sein müssen. “
Der von Skelley entworfene und gebaute Chip nach dem neuesten Stand der Technik besteht aus Kanälen, die durch photolithografische Techniken geätzt wurden, und einem mikrofluidischen Pumpsystem, das in einer vierschichtigen Scheibe mit einem Durchmesser von 4 Zoll angeordnet ist, wobei die Schichten durch gebohrte Kanäle verbunden sind. Die winzigen mikrofabrizierten Ventile und Pumpen bestehen aus zwei Glasschichten mit einer dazwischen liegenden flexiblen Polymermembran (PDMS oder Polydimethylsiloxan), die mit einer Druck- oder Vakuumquelle auf und ab bewegt wird. Der physikalische Chemiker James Scherer von UC Berkeley, der das Kapillarelektrophorese-Instrument entwarf, entwickelte auch einen empfindlichen Fluoreszenzdetektor, der das Muster auf dem Chip schnell liest.
Eine der aktuellen NASA-Zuschüsse des Teams ist die Entwicklung eines mikrofabrizierten organischen Labors (MOL) der nächsten Generation, um zum Mars, Jupiters Mond Europa oder vielleicht zu einem Kometen zu fliegen und noch aufwändigere chemische Tests auf der Suche nach einem vollständigeren Satz organischer Substanzen durchzuführen Moleküle, einschließlich Nukleinsäuren, die Struktureinheiten der DNA. Derzeit ist das Ziel jedoch ein Instrument, das bis 2009 bereit ist, über die aktuellen Experimente an Bord der Mars 2003-Rover hinauszugehen und nach Aminosäuren zu suchen.
"Sie müssen sich daran erinnern, dass wir bisher kein organisches Material auf dem Mars entdeckt haben. Das wäre ein enormer Fortschritt", sagte Bada. „Auf der Suche nach dem Leben gibt es zwei Anforderungen: Wasser und organische Verbindungen. Mit den jüngsten Erkenntnissen der Marsrover, die darauf hindeuten, dass Wasser vorhanden ist, sind organische Verbindungen das Unbekannte. Deshalb konzentrieren wir uns darauf.
"Der Mars Organic Analyzer ist ein sehr leistungsfähiges Experiment, und wir hoffen sehr, nicht nur Aminosäuren zu finden, sondern auch Aminosäuren, die so aussehen, als könnten sie von einer Art Lebewesen stammen."
Originalquelle: Berkeley Pressemitteilung
