Kiraliset biomarkkerit ja Rosalind Franklinin etsintä

Kuvittele, että löydät yhden kemiallisen sormenjäljen, joka erottaisi elottoman kiven kadonneen mikrobimaailman jäänteistä. Tällainen korkean panoksen etsivä työ odottaa Rosalind Franklin -mönkijää, kun se saapuu Marsiin.

Murchisonin meteoriitti putosi Australiaan vuonna 1969 ja hajosi lukuisiksi sirpaleiksi. Se kuuluu hiilipitoisiin kondriittimeteoriitteihin. Näitä meteoriitteja pidetään erityisen säilyneinä. 

Miksi kiraliset molekyylit ovat tärkeitä muinaisen elämän etsinnässä

Nykyinen Mars on hauras, auringon polttama autiomaa. Miljardeja vuosia sitten se oli erilainen: lämpimämpi, kosteampi ja peittynyt paksummalla ilmakehällä. Nuo varhaiset olosuhteet saattoivat antaa mahdollisuuden yksinkertaiselle elämälle kukoistaa. Ongelmana on, että orgaaniset molekyylit voivat syntyä kahdella hyvin erilaisella tavalla: biologisesti tai tavallisen kemian kautta. Miten erotamme nämä kaksi?

Lupauksia tarjoava vastaus piilee kiraliteetissa. Jotkut orgaaniset molekyylit esiintyvät kahdessa peilikuvamuodossa, joita kutsutaan enantiomeereiksi, ikään kuin vasen ja oikea käsi. Elävät järjestelmät Maassa suosivat toista kättä yli toisen. Tämä kädenvalinta säilyy biologisissa jäänteissä ja voi toimia merkittävänä biosignaalina. Jos löydämme Marsista suuren ylimäärän yhtä enantiomeeriä, se olisi vahva vihje siitä, että elämä on joskus ohjannut kemiaa siellä.

ESA:n Rosalind Franklin -mönkijä käyttää MOMAa etsiäkseen muinaista marsilaista elämää analysoimalla kiralisia orgaanisia molekyylejä.

Miten MOMA lukee Marsin kemiallista kieltä

ExoMars Rosalind Franklin -mönkijä kantaa Mars Organic Molecule Analyzerin, eli MOMA:n, instrumentin, joka on suunniteltu haistamaan, erottamaan ja tunnistamaan monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä. MOMA ei ole yksittäinen työkalu vaan kokonaisuus: kaasukromatografi, massaspektrometri, mikro-uunit kivinäytteiden höyrystämistä varten ja laser viritystä varten. Yhdessä ne antavat instrumentille mahdollisuuden uuttaa haihtuvia yhdisteitä lämmitetyistä näytteistä ja erottaa molekyyliset kaksoset niiden vuorovaikutusten perusteella erityisesti päällystetyn kolonnin kanssa.

Enantiomeerien erottelu on hienovaraista. Jokainen peilikuvamuoto reagoi hieman eri tavoin kolonnin pintakäsittelyyn, joten ne eluoituvat eri aikoina. Näiden erojen havaitseminen molekyyleille, jotka ovat suuria, kemiallisesti kestäviä ja Marsissa harvinaisia, on teknisesti vaativaa. Tässä uusien kokeiden merkitys Göttingenin, Nicen ja Max Planck -instituutin tiimeiltä tulee esiin: he testasivat MOMA-tyyppisiä kolonneja todellisella meteoriittimateriaalilla ja onnistuivat erottamaan kaksi itsepäistä hiilivetyä, pristaannin ja fytaanin.

MOMA:n testaaminen tutulla avaruusvieraalla

Martellisten näytteiden simuloimiseksi tutkimusryhmä turvautui Murchisonin meteoriittiin, hiilipitoiseen avaruuskiveen, joka putosi Maahan vuonna 1969 ja on pitkään ollut arvostettu orgaanisten yhdisteidensä vuoksi. Murchisonin kaltaiset meteoriitit kantavat cocktaileja muinaisista yhdisteistä, jotka muodostuivat aurinkokunnan varhaisessa vaiheessa; ne keräävät myös kontaminaatiota maahan laskeuduttuaan. Tämä sekoitus tekee meteoriitista sekä hyödyllisen vertailukappaleen että monimutkaisen koetapauksen.

Tutkijat keskittyivät pristaaniin ja fytaaniin, kahteen pitkäketjuiseen hiilivetyyn, joita usein liitetään biologiseen hajoamiseen Maassa. Maapallolla nämä molekyylit osoittavat yleisesti tietyn kiralisuuden enemmistön, kun ne ovat peräisin elävistä organismeista. Ei-biologisissa synteeseissä tai silloin, kun voimakas geologinen muokkaus on pyyhkinyt biologiset signaalit, enantiomeerit ilmenevät yleensä suunnilleen yhtä suurina määrinä.

Käyttäen MOMA:n erotuskapillaarien laboratoriomalleja, tiimi saavutti pristaanin ja fytaanin kiralisen erottelun. Tämä on merkittävä tekninen virstanpylväs, koska nämä molekyylit ovat kemiallisesti inerttejä ja vaikeasti erotettavissa. Kokeet osoittivat sekä sen herkkyyden että tarkkuuden, joita MOMA tarvitsee tutkiessaan marsilaisia kiviä.

Datassa oli kuitenkin käänne. Murchisonin sirpaleet näyttivät pristaanin ja fytaanin enantiomeerit yhtäsuurina osuuksina. Tuo symmetrinen sekoitus ei vastannut odotuksia siitä kontaminaatiosta, joka olisi peräisin meteoriitin laskeutumisalueen biomassasta. Sen sijaan tasapaino viittasi toisenlaiseen kontaminaatioreittiin.

Kontaminaatio, ilmakehä ja odottamaton signaali

Tiimi ehdotti, että ilmakehän aerosolihiukkaset — pienet hiukkaset, joita syntyy fossiilisten polttoaineiden palamisesta ja muista nykyaikaisista teollisista prosesseista — laskeutuivat meteoriitille sen pudotessa ja sen jälkeen maassa ollessaan lisäten siihen orgaanisia yhdisteitä. Toisin sanoen osa Murchisonin orgaanisista aineksista saattoi saapua vuorovaikutuksen kautta Maan ilman kanssa kauan sen jälkeen, kun kivi oli muodostunut avaruudessa.

Vertailumittaukset vahvistivat tätä näkemystä. Öljyschisteissä ja öljyperäisissä materiaaleissa säilynyt pristaani ja fytaani menettävät usein alkuperäisen biologisen kiralisuutensa pitkän hautautumisen ja lämpöprosessien aikana. Maan kuoren lämpö ja paine hämmentävät kiralisia signaaleja. Jos palamisesta peräisin olevat aerosolihiukkaset kantavat öljyperäisiä molekyylejä, ne voisivat lisätä meteoriittien pinnalle usein racemista (tasapainoista) pristaania ja fytaania ja peittää mahdollisen muinaisen epäsymmetrian.

Tämä havainto ei ole vain laboratorioharjoitus. Se on varoitus Marsin tutkimukselle: kontaminaatioreitit ovat tärkeitä, myös avaruudesta tuleville kiville. Instrumenttien on havaittava paitsi molekyylejä, myös niiden konteksti ja historia. MOMA:n kyky erottaa enantiomeerit — ja tehdä se herkkyydellä, joka näkyi näissä kokeissa — on ratkaiseva, kun tulkitaan mitä tahansa kiralistyyppistä epätasapainoa marsilaisissa näytteissä.

Mitä tämä tarkoittaa Rosalind Franklinille ja ExoMarsille

Tuleva Rosalind Franklin -lento, jonka laskeutuminen Marsiin on nyt ajoitettu vuoteen 2030 savi- ja kloriitirikkaaseen Oxia Planum -alueeseen, aikoo kerätä ja analysoida sedimenttejä, jotka ovat aikoinaan nähneet virtaavaa vettä. Savimineraalit säilyttävät orgaanisia yhdisteitä hyvin. Jos elämä joskus jätti kemiallisen jäljen, saveissa on parhaita paikkoja etsiä sitä.

MOMA:n validoitu tekniikka tarjoaa selkeän edun: se voi erottaa ja kvantifioida enantiomeerit molekyyleille, jotka selviytyvät ankariakin olosuhteista. Jos Rosalind Franklin havaitsee voimakkaan kiralisen ylityksen pristaaanissa, fytaanissa tai niihin liittyvissä yhdisteissä, tulos olisi korkean prioriteetin signaali, joka viittaisi biologiseen prosessointiin. Toisaalta raceminen jakauma osoittaisi abioottiseen alkuperään tai laajaan jälkimuokkaukseen viittaavaa vaikutusta.

On myös käytännöllinen opetus. Murchison-tutkimus korostaa, että modernit maapallon lähteet aiheuttavat todellista kontaminaatiota, joka voi matkia tai peittää muinaisia signaaleja. Planeettasuojelun ja näytteiden käsittelyn kannalta opetus on yksinkertainen: puhtausprotokollien ja kontaminaatiotietoisen tulkinnan on oltava osa jokaista väitettä elämästä maapallon ulkopuolella.

Asiantuntijan näkemys

Tohtori Elena Moreno, planeettakemisti ja entinen instrumenttitutkija marsilaisessa tehtävässä, tarjosi pragmaattisen näkemyksen: 'Kiralisuus antaa meille yhden parhaista mahdollisuuksista erottaa elämä kemiasta, mutta se ei ole taikakeino. Kyse on kontekstin yhdistelmästä — kivi, sen mineraalinen ympäristö, lämpöhistoria — ja tarkkojen kiralisten mittausten yhdistämisestä, joka antaa meille mahdollisuuden tehdä vakuuttavan johtopäätöksen.' Hän lisäsi, että ristivertailut itsenäisillä tekniikoilla ovat välttämättömiä ennen kuin tehdään mitään poikkeuksellista väitettä.

Vuodesta 2030 alkaen ESA:n Rosalind Franklin -mönkijä aikoo etsiä elämän jälkiä Marsista. 

Seuraukset Marsin ulkopuolella

Nämä tulokset heijastuvat laajemmalle. Jos aerosolien kuljettamat orgaaniset aineet voivat muuttaa meteoriittien pintakemiaa Maassa, samanlaiset prosessit voisivat vaikuttaa myös muilta maailmoilta kerättyihin ja Maahan palautettaviin näytteisiin, ellei käytetä tiukkaa säiliöintiä. Ja tutkimus korostaa, miksi paikan päällä tehtävä analyysi on tärkeää: instrumentit kuten MOMA voivat analysoida näytteitä niiden alkuperäisessä ympäristössä, mikä vähentää joitakin näytteiden palautukseen liittyviä kontaminaatioriskejä.

Lopuksi kokeet suuntaavat osan tutkimusagendaa uudelleen: tehtävien tulisi etsiä orgaanisia yhdisteitä, mitata molekyylien kädenvalintaa ja olla suunniteltu erottamaan racemiset ja ei-racemiset seokset. Tämä kaksijakoinen fokusta lisää luotettavan biosignaalin havaitsemisen mahdollisuutta.

Johtopäätös

Todentaa, että elämä on joskus ollut Marsissa, on edelleen yksi nykyaikaisen tieteen haasteellisimmista tehtävistä. Murchison-meteoriittitestit ovat askel eteenpäin: ne osoittavat, että MOMA-tyyppiset instrumentit voivat erottaa hauraita kiralisia signaaleja jopa vaikeille molekyyleille. Ne myös muistuttavat, että kontaminaatio — oli se sitten maapallon tai avaruuden alkuperää — voi sotkea kertomuksen, ellei sitä oteta huomioon. Kun Rosalind Franklin saapuu Oxia Planumiin, se ei kanna mukanaan ainoastaan laitteistoa vaan myös jalostetun joukon kysymyksiä ja laboratoriossa todistettuja menetelmiä Marsin kemiallisen historian lukemiseen.