Bildekreditt: UC Berkeley
Den samme banebrytende teknologien som satte fart i sekvensering av det menneskelige genomet, kunne på slutten av tiåret fortelle oss en gang for alle om det noen gang har eksistert liv på Mars, ifølge et universitet i California, Berkeley, kjemiker.
Richard Mathies, UC Berkeley professor i kjemi og utvikler av de første kapillære elektroforesearrayene og nye energioverførende lysstofffargestoffetiketter - begge brukt i dagens DNA-sequencere - er på jobb med et instrument som vil bruke disse teknologiene for å undersøke Mars-støv for bevis på liv -baserte aminosyrer, byggesteinene til proteiner.
Doktorgradsstudent Alison Skelley ved Rock Garden, et av stedene i Chiles Atacama-ørken, hvor forskere prøvetet jord for aminosyrer i forberedelse til å sende et instrument til Mars for å se etter livstegn. Ruinene av byen Yunguy er i bakgrunnen. (Foto med tillatelse fra Richard Mathies lab / UC Berkeley)
Med to utviklingstilskudd fra NASA på til sammen nesten 2,4 millioner dollar, håper han og teammedlemmer fra Jet Propulsion Laboratory (JPL) ved California Institute of Technology og UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography å bygge en Mars Organic Analyzer for å fly ombord på NASAs roving, robot-Mars Science Laboratory-oppdrag og / eller European Space Agency's ExoMars-oppdrag, begge planlagt for lansering i 2009. ExoMars-forslaget er i samarbeid med Pascale Ehrenfreund, førsteamanuensis i astrokjemi ved University of Leiden i Nederland.
Mars Organic Analyzer, kalt MOA, ser ikke bare etter den kjemiske signaturen til aminosyrer, men tester for en kritisk egenskap ved livsbaserte aminosyrer: De er alle venstrehendt. Aminosyrer kan lages av fysiske prosesser i verdensrommet - de finnes ofte i meteoritter - men de handler om like venstre- og høyrehendt. Hvis aminosyrer på Mars har en preferanse for venstrehendte enn høyrehendt aminosyrer, eller omvendt, kunne de bare ha kommet fra en eller annen livsform på planeten, sa Mathies.
"Vi føler at å måle homokiralitet - en utbredelse av en type overlevering over en annen - ville være et absolutt bevis på livet," sa Mathies, et UC Berkeley-medlem av California Institute for Quantitative Biomedical Research (QB3). "Derfor fokuserte vi på denne typen eksperimenter. Hvis vi drar til Mars og finner aminosyrer, men ikke måler chiraliteten deres, vil vi føle oss veldig lure. Instrumentet vårt kan gjøre det. ”
MOA er et av en rekke instrumenter under utvikling med NASA-finansiering for å lete etter tilstedeværelsen av organiske molekyler på Mars, med endelige forslag til 2009-oppdraget som skulle komme i midten av juli. Mathies og kollegene Jeffrey Bada fra Scripps og Frank Grunthaner fra JPL, som planlegger å sende inn det eneste forslaget som tester for aminosyreoverlevering, har satt analysatoren på prøve og vist at det fungerer. Detaljer om forslaget deres er nå på nettet på http://astrobiology.berkeley.edu.
I februar reiste Grunthaner og UC Berkeley-studenten Alison Skelley til Atacama-ørkenen i Chile for å se om aminosyredetektoren - kalt Mars Organic Detector, eller MOD - kunne finne aminosyrer i den tørreste regionen av planeten. MOD lyktes enkelt. Fordi den andre halvdelen av eksperimentet - "lab-on-a-chip" som tester for aminosyreoverlevering - ennå ikke hadde vært gift med MOD, førte forskerne prøvene tilbake til UC Berkeley for den delen av test. Skelley har nå fullført disse eksperimentene for å demonstrere kompatibiliteten til lab-on-a-chip-systemet med MOD.
"Hvis du ikke kan oppdage livet i Yungay-regionen i Atacama-ørkenen, har du ingen virksomhet til Mars," sa Mathies og refererte til ørkenregionen i Chile der mannskapet ble værende og gjennomførte noen av testene sine.
Mathies, som for 12 år siden utviklet de første kapillære array-elektroforeseseparatorene som ble markedsført av Amersham Biosciences i sine raske DNA-sekvensere, er sikker på at hans gruppes forbedringer av teknologien som ble brukt i genomprosjektet vil gi perfekt inn i Mars-leteprosjektene.
"Med den typen mikrofluidisk teknologi vi har utviklet og vår evne til å lage matriser av in situ-analysatorer som utfører veldig enkle eksperimenter relativt rimelig, trenger vi ikke å ha folk på Mars for å utføre verdifulle analyser," sa han. Så langt har vi vist at dette systemet kan oppdage liv i et fingeravtrykk, og at vi kan gjøre en fullstendig analyse på feltet. Vi er veldig glade for fremtidens muligheter. ”
Bada, en marin kjemiker, er eksobiologen i teamet, og har utviklet for nesten et dusin år siden en ny måte å teste for aminosyrer, aminer (nedbrytningsproduktene av aminosyrer) og polysykliske aromatiske hydrokarboner, organiske forbindelser som er vanlige i universet. Dette eksperimentet, MOD, ble valgt ut til et oppdrag til Mars i 2003 som ble skrotet da Mars Polar Lander styrtet i 1999.
Siden den gang har Bada gått sammen med Mathies for å utvikle et mer ambisiøst instrument som kombinerer en forbedret MOD med den nye teknologien for å identifisere og teste kiraliteten til de påvist aminosyrene.
Det endelige målet er å finne bevis på livet på Mars. Vikinglandingene på 1970-tallet testet mislykket for organiske molekyler på Mars, men følsomheten deres var så lav at de ikke ville ha klart å oppdage liv selv om det var en million bakterier per gram jord, sa Bada. Nå som NASA rovers Spirit og Opportunity nesten helt sikkert har vist at stående vann en gang eksisterte på overflaten, er målet å finne organiske molekyler.
Bada's MOD er designet for å varme opp jordprøver fra Mars, og i lave trykk på overflaten, fordampe organiske molekyler som kan være til stede. Dampen kondenseres deretter på en kald finger, en felle som er avkjølt til Mars 'omgivelsestemperatur på natt, omtrent 100 minusgrader enn Fahrenheit. Den kalde fingeren er belagt med fluorescamine fargestoffsporere som bare binder seg til aminosyrer, slik at et hvilket som helst fluorescerende signal indikerer at aminosyrer eller aminer er til stede.
"Akkurat nå er vi i stand til å oppdage en billion av et gram aminosyrer i et gram jord, som er en million ganger bedre enn Viking," sa Bada.
Det tilførte kapillære elektroforesesystemet nipper den kondenserte væsken fra den kalde fingeren og sifoer den til en lab-on-a-chip med innebygde pumper og ventiler som fører væsken forbi kjemikalier som hjelper til med å identifisere aminosyrene og sjekke for håndethet eller chiralitet .
"MOD er et første trinns avhør der prøven blir undersøkt for nærvær av noen fluorescerende arter inkludert aminosyrer," sa Skelley. "Så gjør kapillærelektroforesinstrumentet analysen i andre trinn, hvor vi faktisk løser de forskjellige artene og kan fortelle hva de er. De to instrumentene er designet for å komplettere og bygge på hverandre. ”
“Rich har tatt dette eksperimentet inn i den neste dimensjonen. Vi har virkelig et system som fungerer, ”sa Bada. “Da jeg begynte å tenke på tester for kiralitet og først snakket med Rich, hadde vi konseptuelle ideer, men ingenting som faktisk fungerte. Han har tatt det til et punkt der vi har et ærlig-til-Gud bærbart instrument. "
Aminosyrer, byggesteinene til proteiner, kan eksistere i to speilbildeformer, betegnet L (levo) for venstrehendt og D (dextro) for høyrehendt. Alle proteiner på jorden er sammensatt av aminosyrer av L-typen, slik at en kjede av dem kan brettes fint sammen til et kompakt protein.
Som Mathies beskriver det, utnytter testen for chiralitet det faktum at venstrehåndede aminosyrer passer mer tett inn i en venstrehendt kjemisk “mitt” og høyrehendte aminosyrer i en høyrehendt mitt. Hvis både venstre- og høyrehendte aminosyrer ferdes nedover et tynt kapillarrør foret med venstrehåndsvotter, vil de venstrehendte reise saktere fordi de sklir inn i vottene underveis. Det er som en venstrehendt politiker som jobber et publikum, sa han. Hun vil bevege seg saktere de mer venstrehendte menneskene i mengden, fordi det er de eneste hun vil håndhilse på. I dette tilfellet er venstrehåndsvetten et kjemikalie som kalles syklodextrin.
Ulike aminosyrer - det er 20 forskjellige typer brukt av mennesker - reiser også ned i røret med forskjellige hastigheter, noe som tillater delvis identifisering av de tilstedeværende.
"Etter at aminosyrer er oppdaget av MOD, pumpes den merkede aminosyreløsningen ned i mikrofluidika og separeres grovt med ladning," sa Mathies. "Mobiliteten til aminosyrene forteller oss noe om ladning og størrelse, og når syklodextriner er til stede, om vi har en racemisk blanding, det vil si en like stor mengde venstre- og høyrehendte aminosyrer. Hvis vi gjør det, kan aminosyrene være ikke-biologiske. Men hvis vi ser et kiralt overskudd, vet vi at aminosyrene må være biologiske. "
Den avanserte brikken designet og bygget av Skelley består av kanaler etset med fotolitografiske teknikker og et mikrofluidisk pumpesystem som er klemt inn i en firelags skive med en diameter på fire centimeter, med lagene forbundet med borede kanaler. De bittesmå mikrofabrikkerte ventilene og pumpene er laget av to glasslag med en fleksibel polymer (PDMS eller polydimetylsiloksan) -membran i mellom, flyttet opp og ned ved hjelp av en trykk- eller vakuumkilde. UC Berkeley fysiske kjemiker James Scherer, som designet kapillærelektroforesinstrumentet, utviklet også en sensitiv fluorescensdetektor som raskt leser mønsteret på brikken.
En av teamets nåværende tilskudd fra NASA er for utvikling av et neste generasjons mikrofabrikert organisk laboratorium, eller MOL, for å fly til Mars, Jupiters måne Europa eller kanskje en komet og gjennomføre enda mer forseggjorte kjemiske tester på jakt etter et mer komplett sett med organiske molekyler, inkludert nukleinsyrer, de strukturelle enhetene til DNA. For nå er imidlertid målet et instrument som er klart innen 2009 for å gå utover de nåværende eksperimentene ombord i Mars 2003-roverne og se etter aminosyrer.
"Du må huske, så langt har vi ikke oppdaget noe organisk materiale på Mars, så det ville være et enormt skritt fremover," sa Bada. “I jakten på liv er det to krav: vann og organiske forbindelser. Med de nylige funnene fra Mars-rovers som antyder at vann er til stede, er de resterende ukjente organiske forbindelser. Det er derfor vi fokuserer på dette.
"Mars Organic Analyzer er et veldig kraftig eksperiment, og vårt store håp er å finne ikke bare aminosyrer, men aminosyrer som ser ut som om de kan komme fra en slags levende enhet."
Originalkilde: Berkeley News Release
