На Марсе можно будет обнаружить даже крошечные количества ДНК

«Поиск жизни» ориентирован на поиск биосигнатур. Планетарная жизнь оставляет химический след в атмосфере планеты, и ученые пытаются выяснить, какие химические вещества, в каких комбинациях и количествах являются верным индикатором жизни. Марсианский метан — это то, над чем они сейчас ломают голову.

Но новые данные свидетельствуют о том, что в марсианских породах можно обнаружить сверхмалые количества ДНК, если они там есть. И хотя для этого требуются физические образцы, а не дистанционное зондирование, это по-прежнему интригующая разработка.

ДНК является золотым стандартом биосигнатур. «ДНК — это неоспоримая биосигнатура, секвенирование которой помогает в идентификации видов, функциональности генома и эволюционных отношениях», — говорится в новой статье. Достижения в области ДНК привели ко всевозможным скачкам в промышленности, медицине, палеонтологии и даже уголовном правосудии. Теперь похоже, что поиск жизни может принести аналогичные преимущества.

Новая статья опубликована в журнале Nature Scientific Reports, а ее ведущий автор — Джьоти Басапати Рагхавендра. Рагхавендра — доктор философии, исследователь кафедры планетарных наук Школы геонаук Абердинского университета.

«Существует небольшая вероятность того, что микробная жизнь существует сегодня на Марсе, но чтобы найти ее, нам нужно действовать в масштабе образца, и именно здесь размер и мощность оборудования, которое используется при исследовании космоса, являются решающим фактором», — сказал соавтор исследования Хавьер Мартин-Торрес.

Если эту технологию удастся применить к образцам марсианской почвы, это может изменить правила игры.

«Исследование активных форм жизни в средах с чрезвычайно низкой биомассой представляет собой интересную тему для расширения наших знаний о биоразнообразии Земли и поиска жизни на Марсе», — пишут авторы.

Среды с низкой биомассой представляют собой образцы с очень небольшим количеством желаемых клеток. Небольшое количество материала затрудняет их изучение и представляет проблемы для исследователей, поскольку их легче загрязнить. При таком небольшом количестве генетического материала их сложнее точно и без ошибок амплифицировать. «Следовательно, для изучения низких концентраций ДНК необходимы новые технологии с повышенной эффективностью, чувствительностью и специфичностью», — пишут авторы.

Новый метод называется технологией нанопор. Нанопора — это просто очень, очень крошечная дырочка. По сути, исследователи пропускают электрический ток через нанопору, и, если что-то — в данном случае цепь ДНК — проходит через пору, это меняет ток. Различные изменения говорят ученым разное о ДНК. Сгруппируйте пару тысяч таких нанопор в один инструмент, и вы действительно что-то поймете.

Компания Oxford Nanopore Technologies разработала инструмент MinION для секвенирования ДНК таким способом. Они говорят, что могут секвенировать любой фрагмент ДНК или РНК, от короткого до сверхдлинного. Они также могут сделать это, используя всего лишь два пикограмма материала. (Пикограмма равна одной триллионной грамма.) «Этот результат является отличным достижением в чувствительности, и его можно сразу же применить к исследованию образцов с низкой биомассой», — пишут авторы исследования.

«Мы стремимся продвинуть эту технологию еще дальше, когда миссия по возвращению образцов с Марса вернется в 2033 году», - сказал технический директор Oxford Nanopore Technologies Клайв Браун.

Ученые часто обращаются к аналогам марсианской среды здесь, на Земле, чтобы проверить идеи и оборудование. Одним из них является пустыня Атакама в Чили, «один из лучших аналогов марсианской среды из-за ее чрезвычайной засушливости», по мнению авторов. На Марсе марсоход Perseverance собирает образцы для возвращения на Землю. Миссия «Возвращение образцов с Марса» (MSR) состоится через несколько лет, но ученые уже готовятся к ней, тестируя такие вещи, как обнаружение ДНК в образцах почвы из Атакамы.

«В рамках подготовки к исследованию MSR в этой работе мы исследуем чувствительность секвенатора MinION к обнаружению чрезвычайно низких концентраций ДНК, которые также могут присутствовать в образце реголита или измельченной породе на уровне пикограмм», — объясняют авторы.

Команда намеревалась определить новые пределы концентрации для секвенирования ДНК. Результаты могут быть применены к различным областям, но основное внимание уделяется возможному возвращению образцов с Марса на Землю. Существует предположение, что любая жизнь на Марсе будет использовать ДНК так же, как и жизнь на Земле. Другими словами, «он опирается на те же химические процессы, что и земные организмы, и кодирует свою генетическую информацию известными основами, которые повсеместно используются жизнью на Земле», — объясняют авторы.

Команда инкубировала лотки, извлекла образцы и проанализировала их. Результаты были многообещающими. «В этой работе мы успешно обнаружили ДНК E. coli  и  S. cerevisiae  даже на уровне 10 пг. (пикограммы.)» Это чрезвычайно деликатно. На самом деле чувствительность инструмента выявила некоторое перекрестное загрязнение. «В отрицательном контроле и тестовых образцах были обнаружены следы человеческой ДНК», — говорится в документе. Лабораторная работа проводилась в чистом помещении по стандарту ISO 5, поэтому любое загрязнение было крайне незначительным, однако MinION его уловил.

Исследовательская группа продвинула MinION еще дальше. Некоторые образцы они разбавили еще больше и протестировали их с помощью устройства. Результаты оказались еще более впечатляющими. «Мы провели две повторности каждого типа образца, и секвенатор MinION успешно обнаружил микробные таксоны в концентрации 2 пг в обоих экспериментах», — говорится в статье. «Это самый низкий предел, обнаруженный на данный момент».

Итак, как обстоят дела? «Наше исследование показывает, что секвенатор MinION может однозначно обнаруживать и характеризовать виды, имеющие всего 2 пг ДНК и всего 50 активных нанопор», — пишет команда. И это без амплификации, шага, который может привести к большему количеству ошибок в образцах с низкой биомассой.

Это значительный скачок в чувствительности, который служит хорошим предзнаменованием для возможного изучения марсианских образцов. Обнаружение всего лишь двух пикограммов массы ДНК в образце почвы примечательно.

Это не только означает, что он может идентифицировать формы жизни в образцах с чрезвычайно низкой биомассой, но также означает, что он может обнаруживать загрязнение окружающей среды с Земли.

Но исследование идет еще дальше. Если в образцах существуют спящие марсианские организмы, их можно легко оживить. «Мы предполагаем, что марсианская почва без каких-либо добавленных питательных веществ может поддерживать рост или возрождение микроорганизмов просто за счет воздействия атмосферной влаги с активностью воды ниже 0,85», — говорят исследователи в своем заключении. Таким образом, воздействия влаги из окружающей среды Земли может быть достаточно, чтобы вернуть их к жизни.

Более того, систему можно использовать для проверки того, как почвенные организмы растут в экстремальных условиях окружающей среды на Марсе. Исследователи говорят, что будущая работа может изучить, как почвенные микроорганизмы растут при низких температурах Марса, ионизирующей радиации, солях и окислительных радикалах, которые являются барьерами для жизни.

Это исследование показывает, насколько эффективна технология нанопор при обнаружении минимальных количеств ДНК. Но ее можно улучшить еще больше и над этим сейчас работают специалисты.