Įsivaizduokite roverį ant dulkingos lygumos, semiantį mėginį ir jį tikrinantį be chemijos laboratorijos ant nugaros. Mažas. Greitas. Tiesioginis. Tai pažadas, dabar išbandomas laboratorijose: mikrochipas, galintis nuskaityti atskirų aminorūgščių molekulių chirališkumą ir pažymėti modelius, kurie rodo biologiją.
Osakos universiteto vadovaujami tyrėjai sukūrė elektrinį jutiklį, aptinkantį, ar molekulė yra kairiarankė (L) ar dešiniarankė (D) forma, naudodami tarpą, matuojamą milijardinėmis metro dalimis, tarp dviejų auksinių vielų. Chirališkumas svarbus, nes Žemės gyvybė didžiąja dalimi teikia pirmenybę vienai rankiškumui prieš kitą; mėginyje iškreipta pusiausvyra gali būti biologinės veiklos pirštų atspaudas, o ne atsitiktinė chemija.
Įrenginys veikia stebėdamas elektrinį tunelinio srovės signalą, kuris atsiranda, kai elektronai peršoka per mažytį tarpą kvantinio tuneliavimo būdu. Užpylus tirpalą, kuriame yra aminorūgščių, ant mikrochipo, kiekviena molekulė, praeidama pro tarpą, pakeičia srovę unikaliu būdu. Tie maži signalų šuoliai gali būti skaitomi, analizuojami ir klasifikuojami. Mašininis mokymasis tada surūšiuoja šiuos modelius ir nustato L ir D formas su pastebimu tikslumu.
Nanotarpio mikrochipas atpažįsta aminorūgštis, kai jos jį praeina.
Kaip veikia nanotarpio detektorius ir kodėl tai svarbu
Skysčių chromatografija–masių spektrometrija, arba LC–MS, yra dabartinis laboratorinis standartas aminorūgščių ir jų chirališkumo analizei. Galinga. Patikima. Nekompaktiška. Ji reikalauja mėginių paruošimo, tirpiklių, centrifugų ir darbo stalo. Todėl ji nepraktiška kompaktiškiems planetiniams zondams ar mažiems laukiniams prietaisams.
Priešingai, Osakos komandos požiūris orientuojasi į paprastumą: jutiklis ant mikroschemos, kuriam reikia tik menkų kiekių ir minimalaus apdorojimo. Sraigtas yra pora auksinių nanovielų, atskirtų nanotarpu. Kai aminorūgštis pereina pro tą tarpą, tunelio srovė pasikeičia priklausomai nuo molekulės formos ir orientacijos. Apmokius mašininio mokymosi modelį pagal trumpalaikius signalus, sistema gali atskirti L nuo D formų.
"Sujungę mūsų nanotarpio tuneliavimo metodą su dirbtiniu intelektu, sugebėjome atskirti aminorūgščių L ir D formas daugiau nei 80 procentų tikslumu," sako bioinžinierius Takahito Ohshiro iš Osakos universiteto. "Tai pirmoji aminorūgščių chirališkumo diskriminacija vienos molekulės lygyje." Trumpas sakinys. Didelis teiginys.
Komanda patikrino jutiklį žinomais taikiniais. Jie atliko bandymus su fragmentais iš Murchisono meteorito, ilgai vertinto dėl organinių medžiagų gausos, ir dirvožemiu, paimtu iš hiper-sauso Atakamos dykumos. Rezultatai gerai sutapo su tradiciniu LC–MS: abu metodai užfiksavo pagrindines aminorūgščių sudėties ypatybes šiuose mėginiuose.
Ši technika jau išbandyta su mėginiais iš Čilės Atakamos dykumos.
Tai, kas daro šį darbą patraukliu astrobiologijai, nėra tai, kad jis randa gyvybę iš tolo, o tai, kad jis trumpina kelią nuo mėginio iki sprendimo. Teoriškai roveris galėtų vietoje apdoroti mėginį ir pranešti, ar molekulės rodo chiralinį šališkumą, vertą tolimesnių tyrimų. Tas paprastas, pragmatiškas žingsnis labai pagerintų paieškos strategijas: vietoje visko siuntimo namo arba pasikliovimo netiesioginiais geocheminiais požymiais, misijos galėtų teikti pirmenybę vietovėms su biologiniais signalais.
Nanotechnologas Masateru Taniguchi, taip pat iš Osakos universiteto, nurodo palyginamą pranašumą: "Mūsų metodas buvo palyginamas su tradiciniais metodais, nes abu sugebėjo užfiksuoti pagrindines aminorūgščių sudėties ypatybes." Tačiau yra pastabų. Dabartiniam detektoriui reikia daugiau plėtros, kad jis taptų tvirtu, skrydžiui tinkamu instrumentu.
Išlieka keli techniniai iššūkiai. Mašininio mokymosi klasifikatorius buvo apmokytas žinomoms aminorūgštims; nežinomos ar netikėtos molekulinės rūšys gali jį suklaidinti. Jutikliai turi būti sustiprinti prieš temperatūros svyravimus, radiaciją ir užteršimą. Ir norint tikros autonomijos, įmontuotos programos turės žymėti tikrai naujus žymenis, o ne tik tuos, kuriuos jos atpažįsta.
Ekspertų įžvalga
"Tai išradingas kvantinio lygmens jutimo ir duomenų mokslo derinys," sako dr. Elena Moreno, astrobiologė, nedalyvavusi tyrime. "Sistema, kuri gali įvardyti molekulę, kai ji prateka, ir pateikti užuominą, ar jos gausos modelis rodo biologiją, keičia, kaip projektuojame gyvybės aptikimo eksperimentus. Ji nepakeičia kitų instrumentų, bet gali jiems nurodyti kryptį."
Moreno pabrėžia realistiškumą: "Vienos molekulės raiška yra įspūdinga, bet misijų planuotojai norės atsargumo. Keli nepriklausomi įrodymų šaltiniai vis dar svarbūs: izotopų santykiai, mineralinis kontekstas ir pasikartojantys chirališkumo signalai skirtinguose mėginiuose." Trumpas atsakymas: perspektyvus, sąlyginis ir komplementarus.
Išvados
Osakos komandos nanotarpio tuneliavimo jutiklis nėra stebuklingas trumpasis kelias į nežemišką gyvybę. Tačiau tai tikėtinas žingsnis link nešiojamų, mažos apimties cheminių analizės priemonių, galinčių padidinti gyvybės aptikimo kampanijų išeigą. Įrenginys suspaudžia sudėtingą laboratorinį darbą į mikroschemą ir, susietas su išmaniais algoritmais, gali suteikti molekulės lygio įžvalgų be pilno LC–MS komplekso našta.
Jei tolesni bandymai ir inžinerija padarys jutiklį pakankamai atsparų kosminiams skrydžiams, būsimoms misijoms į palydovus ir planetas gali būti įmanoma gabenti lengvą biologinių signalų sargą. Tai ir yra tikslas: protingesnis mėginių atrinkimas, ankstyvesnės užuominos ir geresnė kryptis, kur ieškoti toliau. Ir jeigu mikrobų gyvenimas kitur pirmenybę teiktų molekulinei rankiškumui, skirtingam nuo atsitiktinės chemijos, ši maža auksinė spraga gali padėti mums tai pastebėti pirmiesiems.
Palikti komentarą
Komentarai
Komentarų dar nėra. Būkite pirmas.