Resumen: El biofísico de Berkekey, Richard Mathies, ha hablado con Astrobiology Magazine acerca de los planes para 2009 de diseñar un experimento para probar la existencia de una biología marciana. Mediante la fabricación de una prueba portátil de detección y clasificación de proteínas, su contribución a los análisis forenses del futuro puede rendir el método de análisis más exhaustivo diseñado hasta la fecha que sirva para detectar vida en cualquier lugar. ¿Puede el calentamiento de muestras de suelo con aminoácidos revelar un origen biológico?– ¿o no?





por el equipo de redactores de Astrobiology Magazine
Imagine tener un laboratorio de biología moderno en otro planeta. Luego imagine poner dicho laboratorio en un minúsculo chip de silicio. Ese concepto de portabilidad, aplicado a la detección de componentes constitutivos de la vida, los aminoácidos, está siendo investigado para futuras misiones a Marte.

Prof. Richard Mathies. Mathies es profesor de Química en la UC en Berkeley y desarrollador de los primeros dispositivos de electroforesis capilar y de los nuevos marcadores fluorescentes de transferencia de energía, ambos utilizados hoy en los secuenciadores de ADN. Crédito: UC Berkeley ,Chem.

El biofísico Richard Mathies y sus colaboradores esperan poner a prueba la exquisita sensibilidad del método a finales de esta década analizando muestras procedentes de lugares terrestres que finalmente pueden tener análogos en Marte. Uno de dichos lugares es uno de los sitios más secos de la Tierra, el desierto de Atacama en Chile, en el que el equipo de Mathies investigará a finales de este año.

El proyecto desarrollará un instrumento que podrá muestrear polvo marciano para analizar evidencias de vida basada en aminoácidos. Mathies ha recibido una beca de Ciencia y Tecnología Astrobiológica para la Exploración Planetaria de la NASA (NASA Astrobiology Science and Technology for Exploring Planets (ASTEP)), junto con el prof. Bada en la Institución Scripps de Oceanografía y el Dr. Grunthaner del JPL, para desarrollar lo que ellos llaman su Analizador Orgánico Microfabricado (Microfabricated Organic Analyzer [MOA]) para la exploración “in situ” de Marte y de otros cuerpos solares. El nuevo instrumento, MOA, se acoplará a otro desarrollado previamente llamado Detector Orgánico en Marte (Mars Organic Detector [MOD]), el cual obtendrá y preparará una muestra de suelo marciano para los análisis biológicos.

El MOD por si mismo se considera una plataforma definitiva. La unidad aplica calor a la muestra de suelo, luego purifica y concentra cualquier molécula orgánica de tipo hidrocarbonos policíclicos aromáticos (polycyclic aromatic hydrocarbons [PAH]), aminas orgánicas, o aminoácidos, el conjunto tradicional de componentes de las proteínas. “Ahora tenemos la capacidad de detectar partes por billón de aminoácidos en un gramo de suelo, lo que es miles de veces mejor que la Viking”, según Bada. A continuación, el segundo paso es buscar una señal fluorescente basada en el tiempo de retención de los aminoácidos en un capilar fino. Aminoácidos diferentes (los humanos utilizan 20 distintos), viajan por el tubo a velocidades diferentes, lo que permite la identificación parcial de los presentes.

Pero su diseño no sólo busca el rastro químico de los aminoácidos, sino que también busca otras características críticas de la vida basada en aminoácidos: los aminoácidos que utilizan los seres vivos en la Tierra son homoquirales y siempre dextrógiros. Los aminoácidos pueden generarse en el espacio mediante procesos físicos (a menudo se encuentran en meteoritos), pero son equitativamente dextrógiros y levógiros. Si los aminoácidos en Marte tienen una preferencia hacia dextrógiros o levógiros, sólo pueden proceder de alguna forma de vida en el planeta, según Mathies.

Una vez emparejados, estos laboratorios robóticos remotos llevarán a cabo una serie de experimentos de nueva generación para buscar evidencia de vida en Marte. Bada dice, “cuando empezamos a pensar en análisis de quiralidad y hablamos por primera vez con Rich (Mathies), teníamos ideas conceptuales, pero nada que fuera efectivamente funcional. Él lo ha llevado al punto en el que tenemos un instrumento realmente portátil”. Con su enorme sensibilidad en comparación a los otros métodos biológicos probados anteriormente en la misión Viking de 1977, se espera que los nuevos instrumentos vuelen a bordo de la misión robótica móvil Laboratorio Científico Marciano (Mars Science Lab) de la NASA y/o la misión ExoMars de la Agencia Espacial Europea, programadas ambas para ser lanzadas en 2009.

Astrobiology Magazine ha tenido la oportunidad de hablar con el Profesor Richard Mathies acerca de la participación de su grupo en el Proyecto de Exploración de Marte.

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Astrobiology Magazine (AM): El proyecto se fundamenta en la hipótesis de que la vida extraterrestre esté basada en polímeros de aminoácidos, y que la evidencia de dicha biología es accesible a distancia calentando detritos. ¿Acaso los experimentos de la Mars Viking en 1977 no tenían la sensibilidad requerida para determinar hasta qué punto una señal venía de una fuente orgánica?

Richard Mathies (RM): El Experimento GCMS de la Viking no tenía suficiente sensibilidad ni para detectar siquiera niveles altos de moléculas orgánicas como aminoácidos, y la detección estaba basada en la remota posibilidad de que hubiera células bacterianas que estuvieran vivas y que pudieran crecer en las condiciones disponibles.

El Cromatógrafo de gases/Espectrómetro de masas (Gas Chromatograph/Mass Spectrometer (GCMS) ) a bordo de los aterrizadores de la Viking buscaban compuestos orgánicos, pero no encontraron ninguno. El Instrumento Biológico (Biology Instrument) a bordo de los aterrizadores de la Viking incluía los experimentos de Liberación de Marcadores (Labeled Release (LR)) y de Intercambio de Gases (Gas Exchange (GEX)). El experimento de Liberación Pirolítica (Pyrolytic Release (PR)) se basó en la presunción de que Marte era árido y no proporcionaba agua. El experimento de Liberación de Marcadores (LR) añadía una sola gota de agua, en el centro de la muestra de suelo de manera que según migraba hacia los bordes se proporcionaba un gradiente de humedad, descendiendo con la distancia al centro. El experimento de Intercambio de Gases (GEX) añadía suficiente solución nutritiva para empapar toda la muestra. Vease también en la edición del 7 de noviembre de 2003 de la revista Science el artículo “Suelos semejantes a los marcianos en el desierto de Atacama, Chile y el límite de sequedad para la vida microbiana” ("Mars-Like Soils in the Atacama Desert, Chile, and the Dry Limit of Microbial Life". Crédito: NASA

Pensamos que la presencia de aminoácidos y la medición de la homoquiralidad (una prevalencia de un giro frente al otro) sería una prueba absoluta de vida extinta o existente. Por ello nos dedicamos a este tipo de experimento. Si vamos a Marte y encontramos aminoácidos pero no medimos su quiralidad, nos vamos a sentir bastante estúpidos. Nuestro instrumento puede hacerlo.

AM: Se concluyó en 1977 que el suelo marciano era enormemente oxidante, y que esto podía complicar la interpretación. Cuando una muestra de suelo se calienta ¿puede el bióxido de carbono producido ser enmascarado por las condiciones oxidantes del suelo o existe algún otro defecto inherente que dificulte la interpretación de la adición de nutrientes o del calentamiento del suelo como ensayo biológico?

RM: Las condiciones de pirolisis provocan la conversión de aminoácidos a aminas (especialmente la abundante glicina a metil-alanina) pero esos productos se enmascaran con los grandes picos de bióxido de carbono y agua en el registro del espectrómetro de masas lo que hace a las aminas indetectables.
Esto hace al experimento GCMS (Viking) alrededor de mil veces menos sensible para detectar aminoácidos que el aparato que estamos desarrollando. (Para más detalles: Glavin, Schubert, Botta, Kminek and Bada, Earth and Planetary Science Letters 2001 185, 1-5).

AM: El desafortunado Beagle2 europeo planeaba medir isótopos de carbono en Marte como una función de la temperatura. ¿Puede prever algún problema con la interpretación de los isótopos de carbono por separado que se pueda aclarar directamente con el análisis de aminoácidos?

RM: La determinación de la fuente de las trazas del balance isotópico es difícil porque es complicado atribuir sin ambigüedad un cambio en el balance isotópico a una fuente biológica.

Cuando una molécula existe en dos formas simétricas especulares, se denomina quiral. La mayoría de los aminoácidos son moléculas quirales (véase arriba). Los aminoácidos de origen biológico son exclusivamente homoquirales cuyo giro es hacia la izquierda (levógiros, L). Todas las proteínas en la Tierra están compuestas de aminoácidos de tipo L, permitiendo que la cadena se pliegue fácilmente en una proteína compacta. Cuando los científicos sintetizan aminoácidos de precursores no quirales, los resultados son siempre una mezcla “racémica” (igual número de formas levo y dextrógiras) Crédito: Bernhard Rupp

Primero, a menudo los cambios son pequeños. Segundo, tienes que comparar el balance observado con un estándar inorgánico para identificar un cambio inducido biológicamente. En la Tierra se hace con referencia a los balances en carbonatos. No se conoce que estándar usar para esta comparación en Marte que nos sirva para establecer el control no-biótico.

Nuestra búsqueda de aminoácidos y de su balance de quiralidad es mucho más fácil de interpretar.

Los prototipos que está desarrollando nuestro grupo para los análisis orgánicos medirán primero cantidades microscópicas de aminoácidos utilizando marcaje fluorescente y electroforesis capilar para determinar masa y carga, y luego analizará la homoquiralidad

AM: ¿Puede describir qué falsos positivos pueden aparecer desde el primer paso de medir sólo aminoácidos hasta determinar su origen biológico (como quirales levógiros) en el segundo paso?

RM: Pueden aparecer falsos positivos debido a residuos de la nave o propelentes. Estas señales se reducirán en cuanto se aleje el vehículo todoterreno del área de aterrizaje o tome muestras más lejos de la nave y más profundas dentro del suelo.

También es posible que podamos ver aminas o amonio que resulten de la descomposición de moléculas orgánicas y aminoácidos. A pesar de que esto puede interferir con la detección de aminoácidos, este resultado por si solo puede ser muy interesante puesto que indica que hay compuestos orgánicos presentes en Marte.

AM: Ha habido una discusión reciente acerca de que el fraccionamiento isotópico de azufre puede ser un claro diferenciador biológico, particularmente dadas las altas concentraciones de sulfato encontradas por la Opportunity. ¿Hay desventajas en este análisis isotópico para trabajo remoto “in situ” comparado con la construcción del laboratorio portátil que está diseñando su grupo?

RM: Los estudios de isótopos del azufre tienen los mismos problemas que los de isótopos de carbono y además se cree que los cambios introducidos por los procesos biológicos son menores debido a la mayor masa del azufre.

AM: Ha mencionado el fallo de los experimentos al estilo Viking en la detección de vida en el desierto de Atacama en Chile. ¿Hay planes para realizar allí los análisis electroforéticos “in situ” como punto terrestre de calibración?

RM: El GCMS (Cromatógrafo de gases/Espectrómetro de masas) del tipo Viking no se probó en Atacama pero es muy improbable que funcionara bien allí debido a la intensa emisión de bióxido de carbono desde los carbonatos.

Planeamos probar el sistema MOD (Detector de Orgánicos Marciano, Mars Organics Detector) acoplado al analizador CE (electroforesis capilar, Capilar Electrophoresis) (todo junto se llama MOA) en algún momento de este año en Atacama.

AM: ¿Hay planes adicionales para calibrarlo frente a meteoritos, como Murchison, donde se han detectado aminoácidos?

RM: Sí, hemos utilizado el sistema basado en electroforesis (CE) y el MOD en meteoritos incluido Murchison y observamos que parece haber contaminación terrestre en la superficie transformándose en una mezcla racémica de aminoácidos hacia el interior. Estos estudios continuarán para establecer la “verdad en Tierra firme”.

El meteorito Murchison cayó el 28 de septiembre de 1969 cerca de Murchison, Australia. El meteorito contiene minerales, agua y moléculas orgánicas complejas tales como aminoácidos. Crédito: NASA

AM: La Opportunity ofrece evidencias que indican que el suelo debe ser ácido o tener un pH muy bajo. Si el suelo resulta ser enormemente ácido ¿afectará ésto a la evaluación de sus prospecciones biológicas o a los análisis electroforéticos?

RM: La sublimación en MOD, que es el primer estadío de nuestro análisis debe eliminar todos los contaminantes polares y sales que podrían dificultar la electroforesis capilar que analiza la composición y quiralidad de los aminoácidos.

AM: Antes de hacer una prueba, tienen que tener una muestra. ¿Cuál creen en este momento que será la recolección de muestras más productiva, bajo la superficie, superficial u otro de sitio de muestreo?

RM: La recolección de muestras no está bajo nuestro control y será un subsistema principal del aterrizador para todos los experimentos. Esperamos tener la posibilidad de muestrear la superficie seguido de muestras más profundas bajo la corteza superficial.

Se espera que las muestras de la superficie, que es muy oxidante, sean bajas en orgánicos. Las muestras más profundas bajo la superficie tendrán concentraciones de orgánicos más altas. Este es el patrón que hemos visto en Atacama, que es el mejor de los sitios análogos a Marte disponibles y utilizaremos esta experiencia para guiar nuestro método de muestreo.

¿A continuación?

Lo siguiente en la agenda de Mathies es un viaje de trabajo a Chile y una investigación de hasta qué punto se puede determinar el giro de los aminoácidos in situ. La razón por la que el desierto chileno de Atacama es tan seco y virtualmente estéril es porque tiene bloqueada la entrada de humedad a los dos lados por las montañas de los Andes, y las montañas costeras. A 1000 m, el desierto de Atacama tiene 15 millones de años de antigüedad y es 50 veces más árido que el Death Valley (Valle de la Muerte) en California.

El desierto de Atacama es uno de los lugares más secos de la Tierra. Los vívidos colores no dejan traslucir el paisaje árido del norte de Chile donde el desierto de Atacama, uno de los más secos del mundo, se encuentra con las estribaciones de los Andes. Aquí hondonadas salinas y gargantas ocultas bajo sedimentos con vetas de minerales ceden el paso a los volcanes nevados. Esta imagen fue tomada por el instrumento Radiómetro de Reflexión y Emisión Termal Avanzado en Satélite (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer, ASTER, colocado en el satélite Terra de la NASA, el 28 de octubre de 2001. Los científicos están buscando huellas de microorganismos en este ambiente extremo. Crédito: USGS

En febrero, Grunthaner y la estudiante graduada de la Universidad de California en Berkeley, Alison Skelley, viajaron al desierto de Atacama en Chile para ver si el detector de aminoácidos, denominado Detector de Orgánicos en Marte (Mars Organic Detector, MOD) podría encontrar aminoácidos en la región más seca del planeta.

El MOD triunfó fácilmente. Sin embargo, debido a que la segunda mitad del experimento, el “laboratorio-en-un-chip” que analiza la quiralidad de los aminoácidos, no se ha unido aún al MOD, los investigadores llevaron las muestras a la UC Berkeley para esta parte del análisis. Skelley ha terminado ahora con éxito esos experimentos de campo demostrando la compatibilidad del “laboratorio-en-un-chip” con el MOD.

“Si se puede detectar vida en la región Yungai del desierto de Atacama”, dice Mathies, refiriéndose a la región del desierto en Chile donde el grupo permaneció y llevo a cabo algunos de los análisis, “no habrá problemas cuando vayamos a Marte”.