يتطلب البحث عن البصمات الحيوية عبر النظام الشمسي البحث عن عدم التماثل. من المعروف أن الأحماض الأمينية، وهي اللبنات الأساسية للبروتينات، إما “أعسر” (L) أو “أيسر” (D). نحن نعلم أن العمليات اللاأحيائية (أي تلك التي تنتج الأحماض الأمينية ولكنها لا تنطوي على حياة) تخلق خليطًا بنسبة 50/50 من النوعين، وهو ما يسمى الخليط الراسيمي. لكن الحياة كما نعرفها تعتمد بشكل شبه حصري على الأحماض الأمينية اليسرى لطي البروتينات والأحماض الأمينية اليمنى لبناء الأحماض النووية. لذلك، إذا وجدنا خللاً في أنواع الأحماض الأمينية التي نقوم بتحليلها من مكان ما في النظام الشمسي، فهذا مؤشر جيد على أن الحياة وراء هذا الخلل.
من الممكن التمييز بين “المركبين اللامركزيين”، كما يطلق عليهما، ولكنه يتطلب عادةً معدات متقدمة ومستهلكات كيميائية تجعلها مرهقة لتطبيقات رحلات الفضاء. لكن ورقة بحثية جديدة في Nature Communications أجراها باحثون بقيادة تاكاهيتو أوهشيرو وماساتيرو تانيجوتشي من جامعة أوساكا تقدم بديلاً – مستشعر نفق كمي ذو حالة صلبة يمكنه قراءة عدم تناظر جزيء حمض أميني واحد باستخدام بعض الأسلاك الذهبية فقط.
الأحماض الأمينية ليست وفيرة بشكل خاص في النظام الشمسي، وعادة ما توجد بكميات ضئيلة. وهذا يعني أن تحديد عدم التناظرية لحجم العينة الصغير نسبيًا يتطلب قياس استقطاب بصري ثقيل، أو وضع العلامات الفلورية، أو التحليل اللوني المعقد. وتتطلب جميعها معدات كبيرة، مثل أجهزة الليزر الضوئية أو الغازات الحاملة أو الكواشف، مما يتطلب بالتالي كميات كبيرة من الوزن. والوزن الإضافي هو أسوأ عدو للمركبة الفضائية.
محادثة TED-Ed حول ماهية Chirality. ائتمان – قناة TED-Ed على اليوتيوب
بدلاً من هذه الحلول الضخمة الموجودة، فإن التقنية الموصوفة في الورقة هي ما يسمى بجهاز nanogap. فهو يفصل بين سلكين ذهبيين حادين ذريًا حتى تكون هناك فجوة تتراوح بين 0.56 و0.58 نانومتر فقط بين طرفيهما. عندما يتم تطبيق جهد منخفض نسبيًا (0.1 فولت) عبر الفجوة، بدلًا من الانحناء بين النقاط، تعبر الإلكترونات الحاجز عبر النفق الكمي.
ومن شأن الحمض الأميني الذي ينجرف عبر تلك الفجوة عبر الانتشار أن يزعج المجال الكمي الذي تستخدمه الإلكترونات للقفز على الحاجز. وهذا يخلق ارتفاعًا كهربائيًا متميزًا، يمكن أن تكون تغيرات سعته وشكل موجته بمثابة توقيع توصيل يمكن ربطه بنوع حمض أميني معين وعدم تناظره.
على وجه التحديد، وجد الباحثون أن اتجاه أسلاك الذهب النانوية جعلها تتفاعل بشكل مختلف مع اللامركزية المختلفة للأحماض الأمينية. وباستخدام مصنف التعلم الآلي، تمكنوا من التمييز بشكل صحيح بين الشكلين L وD لحمض أميني معين بنسبة 87.6% تقريبًا من الوقت.
يتحدث فريزر عن تاريخ البحث عن الحياة على المريخ.
وفي المختبر، قرر الباحثون اختبار نظامهم بعدة طرق. كان الأول هو إجراء تجربة مضبوطة نسبيًا باستخدام جميع الأحماض الأمينية البيولوجية القياسية العشرين، مما أدى إلى 39 شكلًا إجماليًا، نظرًا لأن الجلايسين لا يحتوي على أي عدم انطباقية. كان الجهاز قادرًا على تحديد جزيئات محددة وضبطها في وقت واحد، وكان قادرًا على القيام بذلك وصولاً إلى حدود دون النانومولية.
ولأخذ هذا العمل خطوة أخرى إلى الأمام، أخذ الباحثون عينات من العالم الحقيقي واختبروها. كانت إحدى العينات من التربة من صحراء أتاكاما – وهي نظير أرضي مناسب للمريخ – وكانت العينة الأخرى من نيزك مورشيسون الشهير الذي سقط على أستراليا في عام 1969 وكان عملاقًا في الأبحاث البيولوجية الفلكية منذ فترة طويلة تقريبًا.
كان تحليل هذه المستخلصات البيئية الواقعية أكثر تعقيدًا، وتطلب بعض آليات التصفية الإضافية للتخلص من المسامير الغامضة وضوضاء الإشارة. ولكن بمجرد ترشيحه بشكل صحيح، تمت مقارنة جهاز nanogap بشكل إيجابي بجهاز قياس الطيف اللوني السائل المقبول (LC-MS) والذي يُنظر إليه على أنه “المعيار الذهبي” لاختبار عدم التناظر.
ومع ذلك، كانت هناك بعض الاختلافات بين الجهاز ونظام LC-MS. ويبدو أن أجزاء أخرى من العينات البيئية قد أفسدت سطح جهاز النانوجاب، أو أدخلت أنواعًا أخرى من الأخطاء في الخلفية. ببساطة، ليس من السهل الحفاظ على فجوة أقل من نانومتر نظيفة في بيئات العالم الحقيقي. لكن الباحثين يعتقدون أن بإمكانهم حل هذه المشكلة من خلال تحسينات الخوارزمية، وفي النهاية جعل أجهزتهم تتوافق بدقة مع أنظمة LC-MS القياسية في جميع حالات الاستخدام.
سيكون ذلك أمرًا رائعًا لأنه سيمكن مثل هذه التجارب اللامركزية من الطيران في مهمات فضائية مستقبلية دون تحمل عبء كميات كبيرة من المعدات الإضافية. أحد المرشحين المحتملين هو أداة الكشف عن الحياة الإلكترونية لإنسيلادوس/أوروبا (ELIE)، وهي نموذج أولي للحمولة النافعة المصممة للكشف عن البصمات الحيوية لجزيء واحد. يتميز كاشف الانطباقية nanogap بالعديد من المزايا، بما في ذلك كونه أخف وزنًا بكثير، ولا يتطلب تبريدًا نشطًا، والقدرة على تحمل ما يصل إلى 300 درجة مئوية.
من المحتمل أن يستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن نرى جهاز nanogap ينفجر في المدار. من المرجح أن الأسلاك النانوية ذات التفاوتات الصارمة في الفجوات لن تكون جيدة في البيئة الاهتزازية لإطلاق الصاروخ. لكن الفكرة الأساسية المتمثلة في استخدام النفق الكمي كمنهجية للكشف عن اللامركزية هي فكرة جديدة. إذا تمكنوا من تجميع النظام بشكل صحيح وإثبات أنه يعمل في الفضاء السحيق، فمن المحتمل أن يكون هناك مجال لحمولة صيد الحياة في المستقبل لهذه الفكرة.
يتعلم أكثر:
جامعة أوساكا – تقنية كهربائية للتعرف على علامات الحياة في الفضاء
T. Ohshiro et al – التمييز اللامركزي للأحماض الأمينية في مستخلصات التربة النيزكية والصحراوية عبر موصلية النانوجاب أحادية الجزيء
UT – العثور على المواد العضوية على المريخ ليس كافياً. سوف يبحث ExoMars عن “استخدام إحدى يديهم”.
UT – علماء الأحياء الفلكية يكتشفون توقيع الحياة عن بعد لا تكن متحمسًا جدًا، رغم ذلك، فقد كان الأمر بطائرة هليكوبتر هنا على الأرض
