Чтобы понять, есть ли на другой планете жизнь, достаточно пропустить одну-единственную молекулу через крошечный зазор между двумя золотыми электродами. Возникающий при этом электрический сигнал улавливает искусственный интеллект: он различает левые и правые формы аминокислот с точностью выше 80 процентов. Это первое в истории различение хиральности на уровне одной молекулы. В будущем такие приборы можно будет делать компактными и экономичными, а значит, отправлять их на Марс или к ледяным спутникам, чтобы искать там следы жизни.
Между жизнью и неживой природой спрятан секрет «левого и правого»
Аминокислоты, из которых строятся белки, обладают необычным свойством. Их химическая формула одинакова, но в трехмерном пространстве они существуют в двух зеркальных формах, как левая и правая рука. Это свойство называют хиральностью.
Неживые химические процессы, например реакции в межзвездной среде или эксперименты, моделирующие раннюю Землю, дают равные количества левых и правых молекул. Но земная жизнь почти всегда использует левые аминокислоты и правые сахара. Иными словами, если на далеком небесном теле найдут аминокислоты, и они окажутся почти полностью левыми, это станет практически неопровержимым сигналом жизни.
Сама логика не нова. Проблема в том, как измерить это соотношение. Традиционные методы требуют большого количества молекул, химических реагентов и громоздкого оборудования, которое трудно поместить на космический аппарат.
Туннельный ток между двумя золотыми проводами стал ключом к различению
Команда исследователей из Университета Осаки пошла другим путем. Они не стали измерять оптические свойства молекул. Вместо этого они пропускали молекулы по одной через зазор шириной около половины нанометра между двумя золотыми нанопроводами. Когда молекула попадает в щель, возникает слабый туннельный ток. У левых и правых аминокислот форма этого тока различается.
Разница очень мала, и заметить ее вручную почти невозможно. Исследователи обучили систему машинного обучения распознавать эти особенности сигнала. В результате точность различения левых и правых аминокислот превысила 80 процентов.
Ученые подчеркивают: это первое различение хиральности аминокислот на уровне одной молекулы. Ранее та же группа уже добивалась точности выше 80 процентов при анализе смесей аминокислот, но тогда задача специально не была посвящена хиральности.
Проверка на метеорите и пустыне
Лабораторные условия чисты и контролируемы, а реальные образцы из космоса представляют собой сложную химическую смесь. Исследователи проверили метод на двух типах природных образцов: метеорите Мерчисон, найденном в Австралии, и почве из пустыни Атакама в Чили.
Метеорит Мерчисон считается одним из самых изученных объектов по части внеземной органики. В нем обнаружено более 90 аминокислот, и большинство из них имеет небиологическое происхождение. Соотношение левых и правых форм в них близко к один к одному. Пустыня Атакама, одно из самых сухих мест на Земле, часто используется как аналог марсианской почвы.
Новый метод показал результаты, сопоставимые с традиционными. Он смог уловить основные особенности аминокислотного состава. Это означает, что метод работает не только как демонстрация принципа, но и имеет практический потенциал при анализе сложных образцов.
Почему это важно для поиска внеземной жизни
Если технологию удастся миниатюризировать, будущие планетные зонды смогут нести на борту датчик, которому не нужны химические реагенты, который не боится вибраций и потребляет очень мало энергии. Это особенно важно для ледяных спутников вроде Европы и Энцелада. Под их ледяной корой могут скрываться океаны, возможно, с жизнью. Но масса и энергия, которые может взять с собой аппарат, крайне ограничены.
Цель исследователей как раз в создании компактных электрических приборов для обнаружения внеземной жизни. От лаборатории до космоса еще далеко, но впервые у человечества появился способ «услышать» сигнал жизни на уровне одной молекулы.
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Communications.
Изображение: разработано Мagnific.
