Osaka-Elektrotechnik könnte Hinweise auf Leben im Weltraum erkennen

Das Instrumentenproblem bei der Suche nach Leben

Astrobiologen haben Jahrzehnte damit verbracht, das Sonnensystem und das weitere Universum nach Anzeichen dafür zu durchsuchen, dass irgendwo außerhalb der Erde Biologie existiert. Das Hindernis ist nicht der Ehrgeiz, sondern die Instrumentierung. Ein Biosignatur-Detektor muss extrem empfindlich sein, denn die Spuren, die er jagt, können nur eine Handvoll Moleküle in einer Probe ausmachen, und er muss zugleich klein und robust genug sein, um eine Reise auf einem Raumschiff zu überstehen. Etwas zu bauen, das beide Anforderungen gleichzeitig erfüllt, war – wie die Forscher es formulieren – eine außerirdische Ingenieursherausforderung. Eine Gruppe der Universität Osaka beschreibt nun eine elektrische Technik, die einen Weg nach vorn bieten könnte. Die Ergebnisse sollen in Nature Communications veröffentlicht werden.

Spiegelbildliche Moleküle als Signatur der Biologie

Ein Großteil der Überlegungen hinter der Arbeit stützt sich auf Aminosäuren, die molekularen Bausteine, aus denen Proteine zusammengesetzt sind. Viele Aminosäuren existieren in zwei Formen, die zueinander spiegelbildlich sind: identisch in der chemischen Formel, aber entgegengesetzt in der Händigkeit, oder Chiralität. Leben und unbelebte Chemie gehen mit diesen beiden Formen sehr unterschiedlich um. Organismen bauen ihre Aminosäuren fast ausschließlich in der L-Form auf, während ihre Zucker überwiegend in der D-Form auftreten. Abiotische chemische und physikalische Prozesse zeigen dagegen keine solche Bevorzugung und erzeugen typischerweise beide Formen zu gleichen Anteilen. Diese Asymmetrie – das Verhältnis von L- zu D-Formen – ist daher eine vielversprechende Biosignatur und macht Aminosäuren zu einem natürlichen Fokus der Astrobiologie. Käme eine Probe von einer anderen Welt mit einer starken Händigkeitsverzerrung zurück, wäre das ein bedeutsamer Hinweis darauf, dass Biologie am Werk war.

Warum die Bulk-Messung nicht ausreicht

Herkömmliche Instrumente bestimmen die Chiralität, indem sie große Gruppen von Molekülen auf einmal analysieren. Dieser Bulk-Ansatz funktioniert in einem gut ausgestatteten Labor gut, bringt jedoch praktische Schwierigkeiten mit sich, wenn das Ziel ein flugtaugliches Instrument ist. Es wurde vorgeschlagen, dass ein elektrisches Detektionsschema mehrere dieser Probleme auf einmal umgehen könnte: Eine solche Methode wäre einfacher umzusetzen, weniger anfällig für Vibrationen und frei von den chemischen Reagenzien, die Bulk-Techniken erfordern. Genau das sind die Eigenschaften, die zählen, wenn ein Instrument weit entfernt von einer Laborbank betrieben werden muss.

Einzelne Moleküle, gezählt in einem Nanogap

Fortschritte in der Nanotechnologie ermöglichen es dem Osaka-Team, einzelne Moleküle von biologischem Interesse elektrisch zu detektieren statt Bulk-Populationen. Der Aufbau fädelt Moleküle durch einen Spalt zwischen zwei Gold-Nanodrähten. Wenn ein Molekül diesen Spalt durchquert, erzeugt es einen elektrischen Tunnelstrom, und die Wellenform dieses Stroms unterscheidet sich je nachdem, welche Form der Aminosäure gerade hindurchtritt. Weil diese elektrischen Fingerabdrücke unterscheidbar sind, können die Forscher zählen, wie viele Moleküle jeder Form den Spalt überqueren – eine direkte Messung Molekül für Molekül statt eines gemittelten Messwerts über eine Menge. Das Team kombinierte die Nanogap-Tunneltechnik zudem mit künstlicher Intelligenz, was ihnen zufolge die Unterscheidung der beiden Formen ermöglichte.

Proben von einem Mars-Stellvertreter

Die in der Studie analysierten Proben wurden im hyperariden Kern der Atacama-Wüste gesammelt, nördlich von Antofagasta in Chile. Diese Region wird als Mars-analoge Umgebung genutzt: Ihre extreme Trockenheit und spärliche Biologie machen sie zu einer der engsten terrestrischen Annäherungen an die rauen Oberflächen des roten Planeten. Eine Leben-Detektionstechnik an Material aus einer solchen Umgebung zu testen, ist eine Möglichkeit zu bewerten, wie sich die Methode unter Bedingungen verhält, die denen ähneln, auf die eine Planetenmission treffen könnte. Das Bild der Atacama, das die Arbeit begleitet, wird Christopher E. Carr zugeschrieben.

Was ein kompakter elektrischer Detektor ändern würde

Der Reiz des Ansatzes liegt in dem, was er ermöglichen könnte, wenn er sich zu einem funktionierenden Instrument entwickelt. Zu den beschriebenen Vorteilen gehören:

• Es werden einzelne Moleküle statt großer Ensembles gezählt, was einen direkten Aufschluss über das L/D-Verhältnis gibt, das als potenzielle Biosignatur dient.
• Die Messung ist elektrisch und vermeidet die chemischen Reagenzien, auf die einige etablierte Methoden angewiesen sind.
• Elektrische Auslesewerte werden als weniger vibrationsempfindlich beschrieben als Bulk-Techniken, eine nützliche Eigenschaft für Hardware, die auf einem Lander oder Rover betrieben wird.
• Der Ansatz baut auf nanoskaliger Fertigung auf, bei der Gold-Nanodraht-Übergänge auf kleinen Chips hergestellt werden können.

Jede dieser Eigenschaften spricht denselben Engpass an: die Schwierigkeit, eine analytische Methode in Laborqualität so zu verkleinern, dass sie flugfähig wird. Eine Technik, die auf Strom durch einen Nanogap statt auf eine Reagenzienflasche und eine optische Bank setzt, ist prinzipiell leichter zu miniaturisieren.

Ein aufkommendes Werkzeug, keine fertige Mission

Das Ergebnis aus Osaka ist ein Schritt in der Methodenentwicklung und keine Entdeckung von Leben. Seine Bedeutung liegt darin, dass es einen Weg aufzeigt, die beiden chiralen Formen von Aminosäuren elektrisch mit Einzelmolekülauflösung zu unterscheiden, und dass der Ansatz an Proben aus einer Umgebung getestet werden kann, die dem Mars nachempfunden ist. Ob die Technik irgendwann Teil einer künftigen Nutzlast wird, hängt von weiteren Arbeiten ab, die zeigen, dass sie außerhalb des Labors zuverlässig funktioniert und mit den Arten von Proben umgehen kann, die eine Mission tatsächlich analysieren würde. Dennoch: Während Astrobiologen weiter abwägen, wo sie suchen und wonach sie suchen sollen, adressiert ein Instrument, das klein, robust und reagenzienfrei ist, eine anerkannte Lücke in der Suche nach Biosignaturen – sowohl innerhalb unseres Sonnensystems als auch darüber hinaus.

Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Originalartikel lesen.