- Japanische Forschende entwickeln neue elektrische Methode, die die Suche nach Spuren außerirdischen Lebens unterstützt.
- Neue Methode zählt Aminosäuren einzeln, ohne optische Messung oder chemische Reagenzien.
- Erstmals Unterscheidung der Chiralität von Aminosäuren auf Einzelmolekülebene, von großer Bedeutung.
- Praktischer Einsatz bei Weltraummissionen erfordert weitere Validierung und Tests.
Japanische Forschende haben eine elektrische Methode entwickelt, die Spiegelbildformen von Aminosäuren molekulargenau unterscheiden kann – ein Schritt hin zu einem künftig kompakten Instrument, das dabei helfen könnte, Spuren von Leben außerhalb der Erde zu finden. Die Forschung stammt von der Osaka-Universität und kombiniert nanoskalige Lücken zwischen Gold-Elektroden mit KI-Technologie.
Aminosäuren sind die grundlegenden Bausteine von Proteinen und existieren in zwei Spiegelbildformen, die als L-Form und D-Form bezeichnet werden. Lebende Organismen verwenden fast ausschließlich L-Aminosäuren, während ihre Zucker in D-Form vorliegen. Abiotische chemische und physikalische Prozesse hingegen erzeugen beide Aminosäureformen gleichzeitig in gleichen Mengen, was das L/D-Verhältnis zu einem potenziellen Biosignatur macht. Die Forschenden betonen, dass dies nur ein Hinweis ist, der zusammen mit anderen Beweisen betrachtet werden muss. Sie weisen darauf hin, dass ein in frühen Berichten erwähntes Übergewicht an L-Aminosäuren in Meteoriten meist als irdische Kontamination angesehen wird, und dass Meteoriten-Probenrückführmissionen der US-Raumfahrtbehörde NASA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA keine signifikanten Übergewichte gefunden haben.
Technische Merkmale der neuen Methode
Herkömmliche Methoden analysieren große Mengen an Molekülen, während diese neue Methode einzeln zählt. Wenn ein Molekül durch einen etwa einen halben Nanometer breiten Spalt zwischen zwei Gold-Nanodrähten hindurchgeht, entsteht ein Tunnelstrom. Jede Aminosäureform erzeugt eine unterschiedliche Stromwellenform, die dann per maschinellem Lernen klassifiziert wird. Die Methode kommt ohne optische Messungen oder chemische Reagenzien aus; Forschende erklären, dass die elektrische Detektion das Instrumentendesign vereinfachen und die Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen verringern könne. Hauptautor Takahito Oshiro erklärt: „Indem wir unsere Nanospalt-Tunneltechnologie mit künstlicher Intelligenz kombinieren, können wir L- und D-Formen von Aminosäuren mit einer Genauigkeit von über 80 Prozent unterscheiden.
Dies ist das erste Mal, dass die Chiralität von Aminosäuren auf Einzelmolekülebene unterschieden wird, was einen fundamentalen Fortschritt beim chemischen Sensoren darstellt.“
Experimentelle Ergebnisse und Anwendung
In Meteoriten- und Wüstentests erreichte eine Blindprüfung von 39 Formen, die die L- und D-Versionen von 19 chiralen Aminosäuren sowie das nicht-chirale Glycin abdeckte, eine Identifikationsgenauigkeit von über 50 Prozent, weit über der zufälligen Wahrscheinlichkeit. Die quantitative Genauigkeit für unterschiedliche chirale Zusammensetzungen von Vier-Aminosäure-Mischungen lag bei über 66 Prozent. Da Proben von Interesse normalerweise große Mengen an Molekülen enthalten, analysierte das Team Bodenextrakte aus dem Murchison-Meteoriten und von zwei Standorten in der chilenischen Atacama-Wüste. Senior-Autor Masaki Taniguchi erklärt: „Unsere Methode ist mit herkömmlichen Methoden vergleichbar, da beide die Hauptmerkmale der Aminosäurezusammensetzung erfassen.“
Die Arbeit beschreibt einen gezielten Ansatz statt einer umfassenden Analyse und konzentriert sich auf 11 vorab ausgewählte Formen von sechs Aminosäuren. In den Wüstenproben wurde Glutaminsäure nicht zuverlässig identifiziert. Im Gegensatz zu den Ergebnissen des Vergleichs mit Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie stimmte das Verhältnis von Asparaginsäure im Murchison-Proben gut überein, während die Verhältnisse von Alanin und Valin abwichen.
Die Autoren geben an, dass ein praktischer Einsatz bei Weltraummissionen weitere Validierung erfordern wird, einschließlich kontaminationskontrollierter Tests und auf gängige Kontaminanten trainierter Software. In Kalibrierungstests detektierte der Sensor Tryptophan bei einer Konzentration von 0,03 Nanomolar, unterhalb des etwa 1 Nanomolar liegenden Messziels für Lebensnachweis, wobei sie warnen, dass diese Zahl die Leistung in komplexen Proben nicht widerspiegelt. Der Chip hält Temperaturen von über 572 Fahrenheit (300 Celsius) stand, weshalb er an Bord von Raumschiffen ohne Kühlung eingesetzt werden kann. Die Studie wurde am 5. Oktober in Nature Communications veröffentlicht.
Potenzial der neuen Technologie bei der Suche nach außerirdischem Leben
Die Entwicklung dieser neuen Technologie eröffnet eine neuartige Richtung für die Suche nach außerirdischem Leben. Durch die molekulargenaue Analyse der Chiralität von Aminosäuren können Forschende potenzielle Biosignaturen präziser identifizieren. Da die Verteilung der Spiegelbildformen von Aminosäuren in Organismen spezifisch ist, könnte diese Technologie zu einem Schlüsselinstrument künftiger Weltraumforschung werden. Doch der praktische Einsatz muss noch Herausforderungen wie Kontamination und Probenkomplexität überwinden; weitere Validierung wird ein wichtiger Schritt sein, um diese Forschung voranzutreiben.