Podział, który nas jednoczy: błony komórkowe biomarkerami żywych organizmów
Aktualnie realizowanych jest kilka misji kosmicznych, przy pomocy których NASA, Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) i inne agencje kosmiczne poszukują śladów życia w kosmosie, przy czym głównym celem tych poszukiwań pozostaje Mars. Aby prowadzić takie badania, naukowcy muszą wykorzystać swoje szerokie kompetencje techniczne i analityczne, ale także wiedzieć, czego szukają – co stanowi dowód na istnienie życia, nawet w próbce, w której nie ma już jego oznak. Doskonałymi kandydatami są tu błony komórkowe lub ich pozostałości. Dzięki wsparciu ze strony programu „Maria Skłodowska-Curie”, w ramach projektu NanoMembR wykorzystano nowe metody spektroskopowe do opracowania charakterystyki złożonych błon modelowych w warunkach degradacji zbliżonych do tych panujących na Marsie. Wiedza i techniki będące efektem tych prac zostaną wkrótce wykorzystane w dwóch platformach badań kosmicznych opracowywanych obecnie przez ESA.
Co odróżnia żywe organizmy od cząsteczek nieorganicznych
Kompartmentacja to zjawisko niezbędne dla życia. Wszystkie organizmy żywe na Ziemi posiadają komórki, które oddzielają swoje wnętrza od otaczającego je środowiska za pomocą półprzepuszczalnej błony zbudowanej z cząsteczek lipidowych. To oznacza, że błony komórkowe są doskonałymi uniwersalnymi biomarkerami życia w takiej formie, jaką znamy. Ponadto, ze względu na swoją dwubiegunową naturę (jeden ich koniec jest hydrofobowy, a drugi hydrofilowy) lipidy samoorganizują się w dwuwarstwowe struktury w środowisku wodnym (woda to kolejny „marker” życia), dzięki czemu doskonale nadają się do „tworzenia życia”. Choć błony i ich fragmenty mają grubość zaledwie kilku nanometrów, są bardzo wytrzymałe i mogą przetrwać przez długi czas, nie ulegając znaczącej degradacji, w przeciwieństwie do DNA i innych cząsteczek.
Życie i śmierć w kosmosie
Stypendysta programu „Maria Skłodowska-Curie” Andreas Elsaesser z Wolnego Uniwersytetu w Berlinie tłumaczy: „Głównym celem projektu NanoMembR było zbadanie, w jaki sposób czynniki środowiskowe imitujące na przykład warunki panujące na Marsie determinują ścieżki degradacji w coraz bardziej złożonych błonach modelowych o różnym składzie”. Nanoskalowa spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (NanoFTIR) łączy bardzo wysoką rozdzielczość przestrzenną ze zdolnością analityczną, umożliwiając skuteczną identyfikację związków chemicznych w nanoskali. Skaningowa mikroskopia optyczna pola bliskiego typu rozpraszającego (s-SNOM) umożliwia obrazowanie spektroskopowe z rozdzielczością przestrzenną znacznie poniżej granicy dyfrakcji. Dzięki wykorzystaniu tych technik Elsaesser był w stanie nie tylko monitorować spektroskopowo stabilność błon, ale także badać zachodzące w nich zmiany strukturalne w nanoskali. Elsaesser wyjaśnia: „Na stabilność błon w sposób istotny wpływa ich skład cząsteczkowy oraz czynniki środowiskowe. Czynnikiem kluczowym dla degradacji błon jest tlen w połączeniu z promieniowaniem ultrafioletowym”. Obecnie trwa przygotowanie wyników tych badań do publikacji. Co równie ważne, projekt NanoMembR pozwolił na wykorzystanie nanoFTIR jako nowego narzędzia do badania błon i potwierdził skuteczność tej techniki w analizie zarówno naturalnych, jak i sztucznych błon. Ten ostatni obszar badań nieoczekiwanie otworzył drzwi do wykorzystania techniki nanoFTIR do analizy próbek pochodzących z kosmosu.
Laboratorium w sondach kosmicznych
Wyniki tych prac są wykorzystywane w dwóch platformach badań kosmicznych opracowywanych obecnie przez ESA. „Laboratoria” te, mające działać jako moduł zewnętrzny Międzynarodowej Stacji Kosmicznej oraz jako niezależnie latające nanosatelity, łączą zalety długoterminowej ekspozycji z monitorowaniem in situ w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Platforma Exocube będzie elementem innowacyjnego laboratorium egzobiologicznego ESA stanowiącego moduł zewnętrzny Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która krąży po niskiej orbicie okołoziemskiej. SpectroCube to niezależna miniaturowa platforma oparta na satelicie CubeSat, służąca do ekspozycji in situ, umieszczona na silnie eliptycznej orbicie okołoziemskiej i przeznaczona do badań astrochemicznych oraz astrobiologicznych. Wyniki projektu NanoMembR mogą pomóc w określeniu celów dla misji związanych z poszukiwaniem życia w Układzie Słonecznym i poza nim.
Słowa kluczowe
NanoMembR, życie, przestrzeń kosmiczna, błona, ESA, degradacja, nanoskala, in situ, komórka, spektroskopia, orbita, nanoskalowa spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (nanoFTIR), Mars, skaningowa mikroskopia optyczna pola bliskiego typu rozpraszającego (s-SNOM), ultrafiolet