یک مریخ‌نورد را روی دشتی غبارآلود تصور کنید که نمونه‌ای برمی‌دارد و همان‌جا، بدون حمل یک آزمایشگاه شیمی کامل، آن را بررسی می‌کند. کوچک. سریع. مستقیم. این همان وعده‌ای است که اکنون در آزمایشگاه‌ها در حال آزمون است: ریزتراشه‌ای که می‌تواند دست‌سانی مولکول‌های منفرد اسید آمینه را بخواند و الگوهایی را که به زیست‌شناسی اشاره دارند، علامت‌گذاری کند.
پژوهشگرانی به سرپرستی دانشگاه اوساکا یک حسگر الکتریکی ساخته‌اند که کایرالیته یا دست‌سانی اسیدهای آمینه را تشخیص می‌دهد، یعنی مشخص می‌کند یک مولکول از نوع چپ‌گرد (L) است یا راست‌گرد (D). این کار با شکافی به اندازه چند میلیاردم متر میان دو سیم طلا انجام می‌شود. کایرالیته اهمیت زیادی دارد، زیرا حیات روی زمین به‌طور چشمگیری یکی از این دو دست‌سانی را به دیگری ترجیح می‌دهد؛ بنابراین عدم توازن معنادار در یک نمونه می‌تواند به‌جای شیمی تصادفی، اثر انگشت فعالیت زیستی باشد.
این دستگاه با پایش جریان تونل‌زنی الکتریکی کار می‌کند؛ جریانی که وقتی الکترون‌ها از راه تونل‌زنی کوانتومی از شکاف بسیار کوچک عبور می‌کنند پدیدار می‌شود. کافی است محلولی حاوی اسیدهای آمینه روی ریزتراشه ریخته شود؛ هر مولکولی که از آن عبور می‌کند، جریان را به شکلی ویژه تغییر می‌دهد. این جهش‌های بسیار کوچک قابل خواندن، تحلیل و طبقه‌بندی هستند. سپس یادگیری ماشین الگوها را مرتب می‌کند و شکل‌های L و D را با دقت قابل توجهی شناسایی می‌کند.
ریزتراشه نانوگپ هنگام عبور اسیدهای آمینه، آن‌ها را شناسایی می‌کند.
آشکارساز نانوگپ چگونه کار می‌کند و چرا اهمیت دارد
کروماتوگرافی مایع همراه با طیف‌سنجی جرمی، یا ال‌سی-ام‌اس، استاندارد فعلی آزمایشگاهی برای تحلیل اسیدهای آمینه و کایرالیته آن‌هاست. قدرتمند. قابل اعتماد. حجیم. این روش به آماده‌سازی نمونه، حلال‌ها، سانتریفیوژها و یک میز آزمایشگاهی نیاز دارد. به همین دلیل برای کاوشگرهای سیاره‌ای فشرده یا ابزارهای کوچک میدانی چندان عملی نیست.
در مقابل، رویکرد تیم اوساکا بر سادگی تکیه دارد: حسگری در مقیاس تراشه که فقط به مقدار بسیار اندکی نمونه و پردازش حداقلی نیاز دارد. هسته این فناوری، یک جفت نانوسیم طلاست که با یک نانوگپ از هم جدا شده‌اند. وقتی یک اسید آمینه از این شکاف عبور می‌کند، جریان تونل‌زنی به شکلی تغییر می‌کند که به شکل و جهت‌گیری مولکول وابسته است. آموزش یک مدل یادگیری ماشین با این سیگنال‌های گذرا به سامانه امکان می‌دهد شکل L را از D تشخیص دهد.
تاکاهیتو اوشیرو، مهندس زیستی دانشگاه اوساکا، می‌گوید: «با ترکیب روش تونل‌زنی نانوگپ با هوش مصنوعی، توانستیم شکل‌های L و D اسیدهای آمینه را با دقتی بیش از ۸۰ درصد از هم تفکیک کنیم.» او می‌افزاید: «این نخستین تشخیص کایرالیته اسید آمینه در سطح تک‌مولکولی است.» جمله‌ای کوتاه. ادعایی بزرگ.
این تیم حسگر را با اهداف شناخته‌شده اعتبارسنجی کرد. آن‌ها آزمایش‌هایی روی قطعاتی از شهاب‌سنگ مورچیسون انجام دادند؛ شهاب‌سنگی که به دلیل ذخیره مواد آلی خود سال‌هاست ارزش علمی بالایی دارد. همچنین خاکی از بیابان فوق‌خشک آتاکاما بررسی شد. نتایج با روش سنتی ال‌سی-ام‌اس همخوانی نزدیکی داشت: هر دو روش ویژگی‌های کلیدی ترکیب اسیدهای آمینه در این نمونه‌ها را ثبت کردند.
این روش پیش‌تر روی نمونه‌هایی از بیابان آتاکاما در شیلی آزمایش شده است.
آنچه این فناوری را برای اخترزیست‌شناسی جذاب می‌کند، این نیست که از فاصله دور حیات را پیدا می‌کند، بلکه این است که فاصله میان نمونه‌برداری و نتیجه‌گیری را کاهش می‌دهد. یک مریخ‌نورد می‌تواند در اصل، نمونه را در محل پردازش کند و گزارش دهد که آیا مولکول‌ها سوگیری کایرال قابل پیگیری نشان می‌دهند یا نه. همین گام محدود اما کاربردی می‌تواند راهبردهای جست‌وجوی حیات را بسیار دقیق‌تر کند: به‌جای بازگرداندن همه نمونه‌ها به زمین یا تکیه بر شاخص‌های غیرمستقیم ژئوشیمیایی، ماموریت‌ها می‌توانند مکان‌هایی را در اولویت بگذارند که سیگنال‌های زیستی دارند.
ماساترو تانیگوچی، نانوفناور دانشگاه اوساکا، به مزیت مقایسه‌ای این روش اشاره می‌کند: «روش ما با روش‌های سنتی قابل مقایسه بود، زیرا هر دو توانستند ویژگی‌های اصلی ترکیب اسیدهای آمینه را ثبت کنند.» البته یک نکته احتیاطی هم وجود دارد. آشکارساز فعلی برای تبدیل شدن به ابزاری مقاوم و آماده پرواز فضایی، به توسعه بیشتری نیاز دارد.
چند مانع فنی هنوز باقی مانده است. طبقه‌بند یادگیری ماشین با اسیدهای آمینه شناخته‌شده آموزش دیده است؛ بنابراین گونه‌های مولکولی ناشناخته یا غیرمنتظره ممکن است آن را دچار خطا کنند. حسگرها باید در برابر نوسان دما، تابش و آلودگی مقاوم‌سازی شوند. همچنین برای خودمختاری واقعی، الگوریتم‌های روی‌برد باید بتوانند امضاهای واقعا تازه را علامت‌گذاری کنند، نه فقط مواردی را که از قبل می‌شناسند.
دیدگاه کارشناس
دکتر النا مورنو، اخترزیست‌شناسی که در این پژوهش مشارکت نداشته است، می‌گوید: «این کار تلفیقی هوشمندانه از حسگری در مقیاس کوانتومی و علم داده است. سامانه‌ای که می‌تواند هنگام عبور یک مولکول، آن را نام‌گذاری کند و نشان دهد آیا الگوی فراوانی آن به زیست‌شناسی اشاره دارد یا نه، شیوه طراحی آزمایش‌های تشخیص حیات را تغییر می‌دهد. این فناوری جایگزین ابزارهای دیگر نمی‌شود، اما می‌تواند آن‌ها را هدایت کند.»
مورنو بر واقع‌گرایی تاکید دارد: «تفکیک‌پذیری تک‌مولکولی هیجان‌انگیز است، اما طراحان ماموریت به شواهد پشتیبان نیاز خواهند داشت. همچنان باید چند خط شواهد مستقل وجود داشته باشد: نسبت‌های ایزوتوپی، زمینه معدنی و سیگنال‌های کایرالیته تکرارپذیر در نمونه‌های مختلف.» پاسخ کوتاه: امیدوارکننده، مشروط و مکمل.
جمع‌بندی
حسگر تونل‌زنی نانوگپ تیم اوساکا میان‌بری جادویی برای کشف حیات فرازمینی نیست. با این حال، گامی معتبر به سوی تحلیل شیمیایی قابل حمل و کم‌حجم است که می‌تواند بازده کارزارهای جست‌وجوی حیات را افزایش دهد. این دستگاه یک روند پیچیده آزمایشگاهی را درون یک تراشه کوچک فشرده می‌کند و وقتی با الگوریتم‌های هوشمند همراه شود، می‌تواند بدون بار سنگین یک سامانه کامل ال‌سی-ام‌اس، بینشی در سطح مولکولی ارائه دهد.
اگر آزمایش‌ها و مهندسی‌های بیشتر این حسگر را برای پرواز فضایی به‌اندازه کافی مقاوم کند، ماموریت‌های آینده به قمرها و سیاره‌ها می‌توانند نگهبانی سبک‌وزن برای شناسایی سیگنال‌های زیستی همراه داشته باشند. هدف همین است: نمونه‌برداری هوشمندتر، سرنخ‌های زودتر و درک بهتر از اینکه بعدا کجا را باید جست‌وجو کرد. و اگر حیات میکروبی در جایی دیگر دست‌سانی مولکولی متفاوتی از شیمی تصادفی را ترجیح دهد، شاید همین شکاف بسیار کوچک میان طلا نخستین چیزی باشد که به ما کمک می‌کند آن را ببینیم.
.avif)
نظر بگذارید
نظرات
هنوز نظری ثبت نشده. اولین نفر باشید.