Εξωγήινη ζωή: Νέα τεχνολογία AI αναζητά τα ίχνη της αναλύοντας μεμονωμένα μόρια

Μια νέα τεχνολογία που θα μπορούσε μελλοντικά να χρησιμοποιηθεί για την αναζήτηση ενδείξεων εξωγήινης ζωής ανέπτυξε διεθνής ομάδα επιστημόνων, συνδυάζοντας τη νανοτεχνολογία με την τεχνητή νοημοσύνη. Η μέθοδος επιτρέπει την αναγνώριση διαφορετικών μορφών αμινοξέων μέσω των ηλεκτρικών σημάτων που παράγουν μεμονωμένα μόρια, προσφέροντας έναν νέο τρόπο μελέτης των χημικών ενώσεων που συνδέονται με τη ζωή.

Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στις 5 Οκτωβρίου στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications, πραγματοποιήθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οσάκα στην Ιαπωνία, σε συνεργασία με επιστήμονες από αμερικανικά ερευνητικά ιδρύματα. Η ομάδα δοκίμασε την τεχνολογία σε δείγματα από τον μετεωρίτη Murchison, που έπεσε στην Αυστραλία, και από την έρημο Ατακάμα της Χιλής, η οποία χρησιμοποιείται συχνά ως γήινο ανάλογο των συνθηκών στον Άρη.

Το σημαντικότερο εύρημα είναι ότι το σύστημα μπόρεσε να διακρίνει με ακρίβεια άνω του 80% τις δύο κατοπτρικές μορφές μεμονωμένων αμινοξέων, αξιοποιώντας τις διαφορές στα ηλεκτρικά τους σήματα. Πρόκειται για μια προσέγγιση που θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη μικρότερων και απλούστερων οργάνων χημικής ανάλυσης για μελλοντικές διαστημικές αποστολές.

Γιατί τα αμινοξέα μπορούν να δώσουν ενδείξεις ζωής
Τα αμινοξέα αποτελούν τα βασικά δομικά συστατικά των πρωτεϊνών και έχουν ιδιαίτερη σημασία στην αστροβιολογία, καθώς η παρουσία και η χημική τους δομή μπορούν να προσφέρουν πληροφορίες για τις διεργασίες που έχουν συμβεί σε ένα περιβάλλον.

Τα περισσότερα αμινοξέα υπάρχουν σε δύο μορφές, που ονομάζονται L και D. Παρότι έχουν την ίδια χημική σύσταση, η τρισδιάστατη δομή τους διαφέρει, όπως συμβαίνει με το αριστερό και το δεξί χέρι: μοιάζουν μεταξύ τους, αλλά δεν μπορούν να ταυτιστούν όταν το ένα τοποθετηθεί πάνω στο άλλο.

Η ζωή στη Γη χρησιμοποιεί σχεδόν αποκλειστικά αμινοξέα της μορφής L για την κατασκευή πρωτεϊνών. Αντίθετα, οι μη βιολογικές χημικές διεργασίες συχνά παράγουν περίπου ίσες ποσότητες των δύο μορφών. Για τον λόγο αυτό, μια σημαντική ανισορροπία μεταξύ τους εξετάζεται ως πιθανή βιοϋπογραφή, δηλαδή ως χημικό χαρακτηριστικό που μπορεί να συνδέεται με βιολογική δραστηριότητα.

Ωστόσο, οι επιστήμονες διευκρινίζουν ότι ανάλογες ανισορροπίες μπορούν, υπό ορισμένες συνθήκες, να προκύψουν και χωρίς την παρουσία ζωής. Επομένως, η ανίχνευσή τους δεν αποτελεί από μόνη της απόδειξη ύπαρξης οργανισμών.

Πώς λειτουργεί η νέα μέθοδος με τεχνητή νοημοσύνη
Οι ερευνητές δημιούργησαν μια διάταξη με δύο εξαιρετικά λεπτά ηλεκτρόδια χρυσού, ανάμεσα στα οποία υπάρχει ένα διάκενο μικρότερο του ενός νανομέτρου. Όταν ένα μόριο αμινοξέος βρεθεί ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, επηρεάζει στιγμιαία τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, δημιουργώντας ένα χαρακτηριστικό σήμα.

Η μέτρηση βασίζεται στο φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας, το οποίο επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρονίων μέσα από εξαιρετικά μικρά διαστήματα. Επειδή διαφορετικά μόρια μπορούν να παράγουν διαφορετικές ηλεκτρικές κυματομορφές, το σύστημα καταγράφει και αναλύει τα σήματα που δημιουργούνται.

Στη συνέχεια, αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης επιχειρούν να αναγνωρίσουν τόσο το αμινοξύ όσο και τη συγκεκριμένη μορφή του.

Σε δοκιμές που αφορούσαν τη διάκριση των δύο μορφών αμινοξέων, η ακρίβεια ξεπέρασε το 80%. Όταν όμως οι επιστήμονες επιχείρησαν να αναγνωρίσουν ταυτόχρονα 39 διαφορετικές μοριακές μορφές, η επίδοση διαμορφώθηκε περίπου στο 50%, ποσοστό σημαντικά υψηλότερο από εκείνο της τυχαίας επιλογής, αλλά που δείχνει ότι η τεχνική χρειάζεται περαιτέρω βελτίωση.

Τι έδειξαν τα δείγματα από μετεωρίτη και έρημο
Για να εξετάσουν εάν η μέθοδος μπορεί να λειτουργήσει πέρα από τα ελεγχόμενα εργαστηριακά διαλύματα, οι ερευνητές ανέλυσαν δείγματα από τον μετεωρίτη Murchison και δύο περιοχές της ερήμου Ατακάμα.

Ο Murchison έχει ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον λόγω της παρουσίας οργανικών ενώσεων που σχηματίστηκαν πριν από την άφιξή του στη Γη. Η μελέτη τέτοιων υλικών μπορεί να προσφέρει στοιχεία για τη χημική εξέλιξη του πρώιμου Ηλιακού Συστήματος, όπως συμβαίνει και με τις αναλύσεις δειγμάτων από τον αστεροειδή Bennu.

Η έρημος Ατακάμα επιλέχθηκε επειδή το εξαιρετικά ξηρό περιβάλλον της παρουσιάζει ορισμένες ομοιότητες με τις συνθήκες στην επιφάνεια του Άρη. Τα δείγματα εξετάστηκαν με τη νέα ηλεκτρική μέθοδο και συγκρίθηκαν με αποτελέσματα από καθιερωμένες εργαστηριακές τεχνικές χημικής ανάλυσης.

Οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε 11 συγκεκριμένες μοριακές μορφές, καταφέρνοντας να αναγνωρίσουν σημαντικά χαρακτηριστικά της σύνθεσης των αμινοξέων. Ωστόσο, διαπιστώθηκαν και αποκλίσεις από τις συμβατικές μετρήσεις, ιδιαίτερα σε ορισμένες αναλογίες μεταξύ των μορφών L και D.

Αυτό σημαίνει ότι η νέα μέθοδος έχει αποδείξει την ικανότητά της να αναγνωρίζει επιλεγμένα μόρια σε σύνθετα φυσικά δείγματα, αλλά δεν προσφέρει ακόμη πλήρη και εξίσου αξιόπιστη ποσοτική ανάλυση όλων των αμινοξέων που μπορεί να περιέχονται σε αυτά.

Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αναζήτηση ζωής στον Άρη;
Η συγκεκριμένη τεχνολογία αποκτά ενδιαφέρον για τη διαστημική έρευνα, καθώς η αναζήτηση οργανικών ενώσεων αποτελεί ήδη βασικό αντικείμενο των επιστημονικών αποστολών σε άλλους πλανήτες και ουράνια σώματα.

Το ρόβερ Curiosity της NASA έχει εντοπίσει οργανικά μόρια στον Άρη, χωρίς όμως να μπορεί να αποδειχθεί εάν αυτά προέκυψαν από βιολογικές ή μη βιολογικές διεργασίες. Η διάκριση των δύο μορφών αμινοξέων θα μπορούσε να προσθέσει μια νέα παράμετρο στην αξιολόγηση τέτοιων ευρημάτων.

Ένα πιθανό πλεονέκτημα της νέας τεχνικής είναι ότι βασίζεται σε ηλεκτρικές μετρήσεις, χωρίς να απαιτεί τα οπτικά συστήματα ή τους ειδικούς παράγοντες μοριακής αναγνώρισης που χρησιμοποιούν άλλες μέθοδοι. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι αυτό θα μπορούσε να διευκολύνει μελλοντικά την κατασκευή πιο συμπαγών αναλυτικών οργάνων.

Προς το παρόν, ωστόσο, δεν πρόκειται για τεχνολογία έτοιμη να εγκατασταθεί σε διαστημικό σκάφος. Απαιτούνται πρόσθετες δοκιμές για την αντιμετώπιση παρεμβολών από άγνωστες χημικές ουσίες, τη βελτίωση της ακρίβειας, τον περιορισμό της επιμόλυνσης των δειγμάτων και τη λειτουργία του εξοπλισμού στις συνθήκες του διαστήματος.

Η μελέτη δεν καταγράφει κάποια ανακάλυψη εξωγήινης ζωής. Δείχνει, όμως, ότι η ανάλυση της μοριακής δομής με ηλεκτρικό ρεύμα και τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να αποτελέσει ένα ακόμη εργαλείο στην προσπάθεια των επιστημόνων να ξεχωρίσουν τις χημικές διεργασίες που σχετίζονται με τη ζωή από εκείνες που μπορούν να συμβούν χωρίς αυτήν.

Πηγή: Nature Communications, Πανεπιστήμιο της Οσάκα