Пошук слідів життя в Сонячній системі часто зводиться до пошуку асиметрії в будівельних блоках біології. Звичайна хімія створює суміш «лівих» і «правих» амінокислот у рівних пропорціях, але відоме нам життя віддає перевагу майже винятково лівим амінокислотам для білків і правим компонентам для нуклеїнових кислот. Нове дослідження, описане на сайті Universe Today, пропонує компактний спосіб «бачити» цю асиметрію за допомогою золотих нанодротів і квантового тунелювання.
Чому важлива хіральність амінокислот
Амінокислоти є хіральними: кожна молекула існує у двох формах, що є дзеркальними відображеннями одна одної — умовно «лівій» (L) і «правій» (D). Неживі, абіотичні процеси зазвичай утворюють рацемічну суміш — 50/50 суміш обох форм.
Живі системи, навпаки, демонструють сильну перевагу однієї «рукості». Тому виявлення дисбалансу між L- і D-формами в зразках з інших планет чи супутників розглядають як можливий біосигнатур — непрямий слід біологічної активності.
Проблема в тому, що визначення хіральності зазвичай вимагає масивних оптичних систем, складної хроматографії або флуоресцентних міток. Усе це додає місії ваги, споживає реагенти й енергію — тобто те, чого космічним апаратам завжди бракує.
Нанощілина з золота і квантове тунелювання
Команда під керівництвом Такахіто Осіро (Takahito Ohshiro) та Масатеру Таніґучі (Masateru Taniguchi) з Осакського університету описала в журналі Nature Communications альтернативний підхід — твердотільний сенсор на основі квантового тунелювання, здатний розрізняти хіральність окремих молекул амінокислот.
Основою пристрою є так званий нанощілинний (nanogap) елемент. Два атомно-гострі золоті дроти розтягують один від одного до відстані лише 0,56–0,58 нанометра між кінчиками. Коли між ними подається невелика напруга — близько 0,1 вольта, — електрони не перескакують за рахунок електричної дуги, а проходять крізь бар’єр за механізмом квантового тунелювання.
Якщо через цю надмаленьку щілину дифузією пролітає молекула амінокислоти, вона змінює квантове поле, яким користуються електрони. Це спричиняє помітний електричний «сплеск». Форма й амплітуда цього сигналу створюють характерний профіль провідності, який можна пов’язати і з типом амінокислоти, і з її хіральністю.
Дослідники виявили, що орієнтація золотих нанодротів змушує їх по-різному взаємодіяти з «лівими» й «правими» формами амінокислот. Використовуючи класифікатор машинного навчання, вони змогли правильно розрізнити L- та D-форми конкретної амінокислоти приблизно у 87,6% випадків.
Перевірка на всіх 20 амінокислотах і реальних зразках
У лабораторії систему спочатку протестували на відносно контрольованому наборі: усіх 20 стандартних біологічних амінокислот. Загалом це дало 39 форм, адже гліцин не має хіральності.
Прилад зміг одночасно визначати конкретні молекули й їхню «рукість» аж до субнаномолярних концентрацій. Тобто сенсор реагує навіть на украй низький вміст амінокислот у зразку, що є критично важливим для астробіологічних місій, де органічні речовини часто трапляються лише у слідових кількостях.
Далі команда перейшла до реальних природних зразків. Один з них — ґрунт з пустелі Атакама, яку часто розглядають як земний аналог марсіанських умов. Інший — витяжка з відомого метеорита Мерчісон, що впав в Австралії в 1969 році й став одним з ключових об’єктів досліджень органіки космічного походження.
Аналіз таких «брудних» зразків виявився складнішим. Довелося додати процедури фільтрації сигналів, щоб відкинути неоднозначні сплески й шум. Після відповідної обробки даних нанощілинний сенсор показав результати, зіставні з рідинною хроматографією у поєднанні з мас-спектрометрією (LC-MS), яка нині вважається «золотим стандартом» визначення хіральності.
Проблеми, обмеження і потенціал для космічних місій
Попри успіхи, між новим пристроєм і системою LC-MS все ж зафіксували деякі розбіжності. Частини реальних зразків, імовірно, забруднювали поверхню нанощілини або створювали додаткові фонові перешкоди. Підтримувати надчисту щілину шириною менше нанометра в природних умовах виявилося нелегко.
Автори роботи припускають, що можуть компенсувати ці ефекти вдосконаленням алгоритмів обробки сигналу. В перспективі це має дозволити нанощілинному сенсору надійно досягти точності «золотого стандарту» LC-MS у всіх режимах роботи, але без потреби в громіздкому й важкому обладнанні.
Такий підхід особливо привабливий для майбутніх місій з пошуку життя. Одним із потенційних кандидатів для інтеграції є прототип корисного навантаження Electronic Life-Detection Instrument for Enceladus/Europa (ELIE), розроблений для виявлення біосигнатур на рівні окремих молекул.
Нанощілинний детектор хіральності має кілька переваг: він значно легший за традиційні системи, не потребує активного охолодження й здатен витримувати температури до приблизно 300 °C. Це спрощує його розміщення на автоматичних станціях, які мають обмеження за масою і енергоспоживанням.
Однак до польоту такого пристрою ще далеко. Нанодроти з надточним зазором можуть погано переносити вібрації при старті ракети, тож інженерам доведеться знайти спосіб надійно «запакувати» систему, щоб зберегти нанометричні розміри щілини.
Попри технічні виклики, сама ідея — використовувати квантове тунелювання як метод визначення хіральності — є новаторською. Якщо вченим вдасться довести її працездатність у космосі, в майбутніх місіях, що шукають сліди життя на Марсі, Європі чи Енцеладі, може з’явитися компактний та енергоефективний інструмент для аналізу «правих» і «лівих» молекул.