Разработан способ поиска признаков жизни в космосе с помощью электричества и ИИ

Фото из открытых источников

Электрический датчик позволял различать зеркально симметричные аминокислоты, по одной молекуле за раз, что стало шагом к созданию миниатюрных приборов, способных искать признаки жизни. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Левая и правая руки состоят из одних и тех же частей, однако левая рука не поместится должным образом в правую перчатку. Многие молекулы в живых организмах существуют в двух зеркально отраженных вариантах, и жизнь на Земле строит свои белки преимущественно из одного из них.

Группа исследователей из Японии смогла различить эти две версии, по одной молекуле за раз, используя только электрический ток. В будущем этот датчик может помочь небольшому космическому прибору обнаружить подобное асимметричное распределение веществ на другой планете. Команда также протестировала его на образцах из метеорита и пустынной почвы, где он уловил общую картину, но упустил несколько деталей.

Такахито Оширо и Масатеру Танигучи из Университета Осаки руководили работой совместно с коллегами из Технологического института Джорджии, Центра Годдарда НАСА , Массачусетского технологического института и Чикагского университета. Все работы пока проводились в лабораторных условиях, и никаких приборов для полетов еще не существует.

Аминокислоты, небольшие молекулы, которые соединяются в белки, в основном существуют в зеркальном отображении: левозакрученной и правозакрученной формах. Ученые обозначают их как L и D. В химии без жизни эти две формы, как правило, образуются в равных количествах, в то время как живые организмы в значительной степени склоняются к одной из них — L-форме.

Таким образом, сильный перекос в одну сторону может быть признаком биологического наличия жизни. Некоторые исследователи предположили, что избыток более чем на 20 процентов в нескольких аминокислотах является пороговым значением, указывающим на существование жизни.

Ранее считалось, что метеориты имеют такой наклон, но сейчас такие результаты обычно объясняют загрязнением с Земли. Образцы, доставленные с астероидов Рюгу и Бенну, показали примерно равное количество различных метеоритов.

Танигучи осторожно высказался о том, что могут показать эти измерения. «Важно отметить, что хиральность сама по себе не должна рассматриваться как доказательство жизни», — сказал Танигучи. «Эта способность значительно возрастет при сочетании с молекулярной идентичностью, распространенностью, химическим контекстом и другими биосигнатурами».

Датчик начинается с тонкой золотой проволоки, которую растягивают до тех пор, пока она не сломается. Два сломанных конца находятся на расстоянии чуть более половины миллиардной доли метра друг от друга. Это более чем в 100 000 раз меньше толщины человеческого волоса.

Небольшое напряжение вызывает слабый ток через этот зазор. Когда в него попадает аминокислота, ток на несколько тысячных долей секунды подскакивает, а затем снова падает. Каждый скачок имеет свою форму, и L- и D-формы одной и той же аминокислоты образуют немного разные формы. Программа машинного обучения, обученная на тысячах таких шипов, научилась их сортировать.

«Мы измеряем не просто усредненный сигнал от большой популяции молекул», — сказал Танигучи.

Стандартные лабораторные методы различения двух зеркально симметричных молекул основаны на использовании света или химических реагентов. Электрический подход не требует ни того, ни другого. Танигучи сказал, что приборы космического аппарата должны быть маленькими, прочными, чувствительными и энергоэффективными, и отказ от оптики может помочь в этом.

Команда протестировала 19 аминокислот, существующих в обеих формах. Начиная с одного пика, программа в среднем в 88% случаев выбирала правильную форму. Самая сложная пара, глутамин, показала результат в 78%, а самая простая, изолейцин, — в 97%.

Один скачок — это слабое основание для вердикта, а за пять минут можно набрать сотни правильных ответов. По расчетам команды, программа, которая правильно реагирует на каждый скачок в 90% случаев, после 16 скачков будет правильно реагировать в 99,9% случаев.

Более сложный тест требовал от программы одновременно назвать аминокислоту и ее форму из всех 39 возможных вариантов. Она правильно определяла аминокислоту примерно в половине случаев, что намного лучше, чем вероятность 1 к 39, которую дает угадывание.

С растворами для смешивания было еще сложнее. В тестовых растворах, содержащих четыре или пять аминокислот, некоторые значения оказались близки к истинным. В одном случае отклонение составило 56 процентов.

Далее последовали реальные образцы. Команда провела анализ экстрактов из фрагмента метеорита Мурчисон, предоставленного Смитсоновским институтом. Также был проведен анализ почвы с двух участков в чилийской пустыне Атакама, среде, похожей на марсианскую. Для сравнения те же экстракты были проанализированы с помощью стандартного лабораторного прибора.

Программа учитывала только те пики, в достоверности которых была уверена, и отбраковала около 93 процентов пиков из контрольного образца, не содержащего экстракта. Оба метода показали, что глицин является наиболее распространенной аминокислотой в метеорите: по данным датчика — 48 процентов, а по данным стандартного прибора — 63 процента.

Другие результаты отличались. Датчик определил содержание серина почти в 12% аминокислот метеорита, по сравнению с менее чем 1% при использовании стандартного метода. Он также не обнаружил глутаминовой кислоты ни в одной из пустынных почв. По показателю ведущей руки датчик совпал со стандартным методом определения аспарагиновой кислоты в метеорите, но не с аланином или валином.

«В этом смысле реальные образцы стали не только демонстрацией технологии, но и важной проверкой ее нынешних возможностей», — сказал Танигучи.

Авторы написали, что этот метод следует рассматривать как целенаправленный инструмент для ограниченного списка известных молекул, а не как полный химический перечень. Он пока не может распознать молекулу, на которой не обучался, а некачественный природный образец добавляет фоновые сигналы, которые размывают результаты подсчета.

Танигучи перечислил требования к летной версии. Она должна будет более точно измерять количества, отмечать незнакомые молекулы, самостоятельно готовить образцы и предотвращать загрязнение с Земли. Также потребуются уменьшенные электронные компоненты, способные выдерживать вибрацию, излучение и перепады температур.

«В конечном итоге мы видим компактный прибор, в котором подготовка образцов, электрическое детектирование отдельных молекул и идентификация молекул на основе искусственного интеллекта работают как единая система», — сказал Танигучи.

Только работающий прототип может показать, работает ли датчик вне чистого лабораторного стола, на образце с Марса, ледяного спутника или астероида.