寻找生命中的仪器难题
天体生物学家数十年来一直在扫描太阳系及更广阔的宇宙，寻找地球之外存在生物学的迹象。障碍不在于雄心，而在于仪器。生物特征探测器必须极其灵敏，因为它所追寻的痕迹可能只是样本中的少数几个分子，同时还必须足够小、足够坚固，以承受航天器之旅。要同时满足这两项要求，用研究人员的话说，是一项“超凡脱俗”的工程挑战。大阪大学的一个研究团队如今描述了一种电气技术，可能提供一条前进之路。研究结果将发表在《自然·通讯》上。
镜像分子作为生物学的特征
这项工作背后的许多推理都建立在氨基酸之上，氨基酸是组装蛋白质的分子构件。许多氨基酸以两种互为镜像的形式存在：化学式相同，但手性相反。生命与非生命化学对这两种形式的处理方式截然不同。生物体构建的氨基酸几乎完全是L型，而其糖类则绝大多数以D型出现。相比之下，非生物的化学和物理过程没有这种偏好，通常以相等比例生成两种形式。因此，这种不对称性——L型与D型的比例——是一种有前景的生物特征，也使氨基酸成为天体生物学的天然焦点。如果来自另一个世界的样本返回时带有强烈的手性偏向，那将是一个有意义的暗示，表明曾有生物学在起作用。
为何整体测量不够用
传统仪器通过一次性分析大量分子群来确定手性。这种整体方法在设备齐全的实验室中效果良好，但当目标是飞行就绪的仪器时，就会带来实际困难。有人提出，电气检测方案可以一举绕开其中若干问题：这种方法实施起来更简单，受振动影响更小，并且无需整体技术所需的化学试剂。当仪器必须在远离实验室工作台的地方运行时，这些恰恰是至关重要的品质。
在纳米间隙中逐个计数分子
纳米技术的进步使大阪团队能够对具有生物学意义的单个分子进行电气检测，而非整体群体。该装置让分子穿过两条金纳米线之间的间隙。当分子穿过该间隙时，会产生隧穿电流，而该电流的波形因通过的是哪种形式的氨基酸而不同。由于这些电学指纹可以区分，研究人员能够计数每种形式的分子有多少个穿过间隙——这是一种直接的、逐分子的测量，而非对一群分子的平均读数。该团队还将纳米间隙隧穿技术与人工智能相结合，他们报告称这使他们能够区分这两种形式。
来自火星替身的样本
本研究中分析的样本采集于智利安托法加斯塔以北的阿塔卡马沙漠超干旱核心区。该地区被用作火星模拟环境：其极度干燥和稀少的生物学使其成为地球上最接近红色星球严酷表面的近似环境之一。在这种环境的材料上测试生命探测技术，是评估该方法在类似行星任务可能遇到的条件下的表现的一种方式。随该工作一同发布的阿塔卡马图片由Christopher E. Carr提供。
紧凑型电气探测器将带来什么改变
该方法的吸引力在于，如果它成熟为可用的仪器，可能带来什么。所描述的优势包括：
- 计数的是单个分子，而非大型集合体，从而直接读取作为潜在生物特征的L/D比值。
- 测量是电气的，避免了某些既有方法所依赖的化学试剂。
- 据描述，电气读数比整体技术对振动更不敏感，这对于在着陆器或漫游车上运行的硬件来说是一种有用的特性。
- 该方法建立在纳米级制造之上，其中金纳米线结可以在小芯片上生产。
这些特性中的每一项都指向同一个瓶颈：将实验室级分析方法缩小到可飞行规模的难度。一种依赖穿过纳米间隙的电流、而非试剂瓶和光学平台的技术，原则上更容易小型化。
一种新兴工具，而非已完成的使命
大阪的成果是方法开发中的一步，而非对生命的探测。其意义在于，它展示了一条以单分子分辨率电气区分氨基酸两种手性形式的途径，并且该方法可以针对选自模拟火星环境的样本进行测试。该技术最终能否成为未来载荷的一部分，取决于进一步的工作，以证明它能在实验室之外可靠运行，并适用于任务实际会分析的那类样本。尽管如此，随着天体生物学家继续权衡去哪里寻找以及寻找什么，一种小巧、坚固且无需试剂的仪器，填补了生物特征搜寻中一个公认的空白——无论是在我们的太阳系之内还是之外。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org
