大阪大学の電気技術、宇宙における生命の痕跡特定に貢献の可能性

生命探しにおける計測機器の問題

宇宙生物学者たちは、地球以外のどこかに生命が存在する証拠を求めて、太陽系およびより広い宇宙を数十年にわたり調査してきた。障害となっているのは意欲ではなく、計測機器である。バイオシグネチャー検出器は極めて高感度でなければならない。探し求める痕跡は、試料中にわずか数分子しか含まれない可能性があるからだ。同時に、宇宙機での旅に耐えられるほど小型で堅牢でなければならない。この両方の要件を同時に満たすものを造ることは、研究者らが表現するように、まさに「この世のものとは思えない」工学上の難題であった。大阪大学の研究グループは現在、前進の道を提供する可能性のある電気技術について報告している。この研究成果はNature Communicationsに掲載される予定である。

生物学の指標としての鏡像異性体分子

この研究の背景にある推論の多くは、タンパク質を組み立てる分子構成要素であるアミノ酸に基づいている。多くのアミノ酸は互いに鏡像関係にある2つの形態で存在する。化学式は同一だが、左右性（キラリティー）が逆である。生命と非生命の化学は、これら2つの形態を大きく異なる方法で扱う。生物はアミノ酸をほぼ完全にL体として構築する一方、糖は圧倒的にD体として現れる。対照的に、非生物的な化学的・物理的プロセスはそのような選好を示さず、通常は両方の形態を等しい割合で生成する。したがって、この非対称性、すなわちL体とD体の比率は有望なバイオシグネチャーであり、アミノ酸を宇宙生物学の自然な焦点としている。もし別の世界から持ち帰られた試料に強い左右性の偏りがあれば、生命が関与していたことを示す意味のある手がかりとなるだろう。

バルク測定が不十分な理由

従来の計測機器は、多数の分子を一度に分析することでキラリティーを決定する。このバルク手法は設備の整った実験室ではうまく機能するが、飛行可能な計測機器を目指す場合には実用上の困難をもたらす。電気的検出方式は、こうした問題のいくつかを一度に回避できる可能性が示唆されている。そのような手法は実装がより簡単で、振動の影響を受けにくく、バルク技術が必要とする化学試薬を不要にする。これらはまさに、計測機器が実験台から遠く離れた場所で動作しなければならない場合に重要な特性である。

ナノギャップで数える単一分子

ナノテクノロジーの進歩により、大阪大学のチームは、バルク集団ではなく、生物学的に関心のある個々の分子を電気的に検出できるようになった。装置は、2本の金ナノワイヤー間のギャップに分子を通す。分子がそのギャップを通過する際に電気トンネル電流を発生させ、その電流の波形は通過するアミノ酸の形態によって異なる。これらの電気的指紋が識別可能であるため、研究者らは各形態の分子がいくつギャップを通過したかを計数できる。集団全体の平均値ではなく、分子ごとの直接測定である。チームはまた、ナノギャップ・トンネル法を人工知能と組み合わせ、これにより2つの形態を識別できたと報告している。

火星の代替環境からの試料

本研究で分析された試料は、チリのアントファガスタ北方にあるアタカマ砂漠の超乾燥核心部で採取された。この地域は火星類似環境として用いられている。その極度の乾燥と乏しい生物活動により、赤い惑星の過酷な表面に最も近い地球上の近似環境の一つとなっている。このような環境の物質で生命検出技術を試験することは、惑星ミッションが遭遇する可能性のある条件の下でその手法がどのように機能するかを評価する一つの方法である。本研究に添えられたアタカマの画像はChristopher E. Carr氏のクレジットである。

コンパクトな電気検出器がもたらす変化

このアプローチの魅力は、実用的な計測機器へと成熟した場合に何を可能にするかにある。説明されている利点には次のものがある：

• 大規模な集合体ではなく個々の分子を計数し、潜在的なバイオシグネチャーとして機能するL/D比を直接読み取ることができる。
• 測定は電気的であり、一部の確立された手法が依存する化学試薬を回避する。
• 電気的読み出しはバルク技術よりも振動に敏感でないとされ、着陸機やローバーで動作するハードウェアにとって有用な特性である。
• このアプローチはナノスケールの微細加工に基づいており、金ナノワイヤー接合部を小型チップ上に作製できる。

これらの特性はいずれも同じボトルネック、すなわち実験室級の分析手法を飛行可能なものへと縮小することの難しさを物語っている。試薬瓶と光学ベンチではなく、ナノギャップを流れる電流に依存する技術は、原理的により小型化しやすい。

完成したミッションではなく、新たなツール

大阪大学の成果は、生命の検出ではなく、手法開発における一歩である。その意義は、アミノ酸の2つのキラル形態を単一分子分解能で電気的に識別する道筋を示したこと、そしてこのアプローチが火星を模倣するために選ばれた環境からの試料に対して試験可能であることにある。この技術が最終的に将来のペイロードの一部となるかどうかは、実験室外で確実に動作できること、およびミッションが実際に分析する種類の試料で機能することを示すさらなる研究にかかっている。それでも、宇宙生物学者たちがどこを探し、何を探すかを引き続き検討する中で、小型で堅牢、かつ試薬不要の計測機器は、バイオシグネチャー探しにおける認識されたギャップに対処するものである。それは太陽系内においても、その先においても同様である。

This article is based on reporting by Phys.org. Read the original article.