Lorsqu'ils ont atteint la surface de Mars en 1976, Les deux atterrisseurs Viking de la NASA se sont posés avec un léger bruit sourd. À 7 pieds de haut, 10 pieds de long, et pesant environ 1, 300 livres, ces vaisseaux spatiaux - la première mission américaine à atterrir avec succès sur la surface martienne - ressemblaient à des punaises de pilules envahies par la végétation.

Ce qui s'étendait devant eux était un rouillé, friche poussiéreuse jonchée de rochers sous un ciel beige orangé, loin des métropoles extraterrestres animées que les écrivains et les films de science-fiction avaient dépeints. Les scientifiques ne s'attendaient pas à des villes extraterrestres, mais ils soupçonnaient que des colonies d'extraterrestres microbiens pourraient se cacher dans le sol martien. Les atterrisseurs ont été les premiers à rechercher la vie extraterrestre.

Les deux atterrisseurs étaient équipés de trois instruments de détection de vie automatisés, dont chacun a incubé un échantillon de la surface, étudier l'air au-dessus pour des molécules telles que le dioxyde de carbone, ce qui pourrait indiquer la photosynthèse, ou du méthane, quels microbes pourraient produire en métabolisant les nutriments fournis par les atterrisseurs.

L'un des instruments a reçu un signal positif. L'expérience de libération marquée, suivre le carbone radioactif lorsqu'il passe du sucre digestible au dioxyde de carbone digéré, vu le signe révélateur de la vie, microbes métabolisants.

Les deux autres expériences, cependant, jamais fait.

Cette découverte possible a déclenché un débat qui persiste encore aujourd'hui, avec des partisans insistant (et de nouvelles recherches suggérant) que seul quelque chose de vivant aurait pu faire ce signal positif.

Mais comme beaucoup dans la communauté scientifique, Kate Craft, un scientifique planétaire au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, reste sceptique. "C'était une bonne expérience, mais il était très limité dans ce qu'il était capable de détecter, " a-t-elle déclaré.

Pour un, les expériences Viking supposaient que les microbes sur Mars mangeraient les nutriments que nous leur avons fournis, ce qui n'est pas forcément vrai. Et même s'ils le faisaient, il est encore difficile de croire à une seule ligne de preuves. "Nous voulons toujours avoir du positif sur plusieurs signatures, " elle a dit.

Plus problématique, bien que, est que les scientifiques de l'époque ne savaient pas que la surface de Mars est couverte de sels de perchlorate, les minéraux contenant du chlore et de l'oxygène dont les expériences montrent qu'ils peuvent détruire les molécules organiques et les microbes lorsqu'ils sont chauffés, produisant du chlore gazeux, que les atterrisseurs vikings ont en fait détecté. Personne ne savait que les sels étaient là jusqu'en 2008, lorsque l'atterrisseur Phoenix de la NASA les a découverts.

Pour Craft et son collègue Chris Bradburne, biologiste et scientifique senior à l'APL, les missions Viking ont souligné le défi monstrueux auquel les scientifiques sont confrontés pour dire définitivement que nous avons trouvé la vie sur un autre monde. Le type, caution, et la répétabilité de cette preuve importent tous. De nombreux engins spatiaux depuis le retour des atterrisseurs Viking sur Mars, la recherche de molécules organiques, qui contiennent principalement du carbone, hydrogène, et de l'oxygène. Ils sont généralement associés à la vie mais ne sont pas des indicateurs sûrs de celle-ci.

Mais la révélation sur les sels sur Mars a mis en évidence un aspect plus saillant, bien que quelque peu ennuyeux, point :Les chances de détecter des signes de vie avec même la meilleure technologie sont probablement minces si vous ne purifiez pas d'abord vos échantillons.

Les chercheurs se sont concentrés sur le côté détection de l'équation, mais la préparation de l'échantillon, une étape antérieure du flux de travail, a été en grande partie ignorée. Les sels sont particulièrement préoccupants, car ils peuvent rendre l'analyse difficile, et les cibles principales pour les futures missions de détection de vie sont des endroits salés, des océans d'eau liquide sous leurs surfaces, des mondes comme la lune Europe de Jupiter et la lune Encelade de Saturne.

Depuis 2013, Bradburne, Artisanat, et une équipe de chercheurs de l'APL ont développé de nouveaux, des systèmes microfluidiques de la taille d'une paume pour les futurs engins spatiaux afin de relever ce défi. Ils peuvent purifier et isoler des molécules qui pourraient être de puissants indicateurs de la vie :acides aminés, protéines, ARN, ADN.

"C'est beaucoup plus sexy de penser au détecteur, " a déclaré Bradburne. " Mais si vous ne pouvez pas préparer vos échantillons et les optimiser pour que votre capteur puisse détecter ce que vous recherchez, ils ne vous font aucun bien."

Mais l'équipe pousse encore plus loin un de leurs instruments :un séquenceur pour l'espace. Cela préparerait et concentrerait non seulement les molécules à longue chaîne comme l'ADN et l'ARN, mais pomperait tout leur code génétique directement à la destination. En outre, il détecterait ces molécules, qu'elles soient ou non comme de l'ADN et de l'ARN terrestres, offrant la capacité de détecter la vie avec une origine entièrement distincte.

"Cela pourrait vous donner un signal vraiment concluant, " a déclaré Bradburne. Vous devez juste trouver comment le construire.

Les machines de nettoyage

Craft et Bradburne avaient envisagé de créer une puce de préparation d'échantillons pour l'ADN et l'ARN en 2014, en s'appuyant sur le travail que Bradburne a commencé quelques années plus tôt.

En ce qui concerne les indicateurs de vie, L'ADN et l'ARN occupent une place relativement élevée sur la liste, puisque les deux forment l'épine dorsale à partir de laquelle toute la vie terrestre a évolué. Mais c'est pour cette raison exacte que de nombreux scientifiques étaient sceptiques quant à la recherche d'ADN et d'ARN ailleurs dans le système solaire.

Pour que le matériel génétique transmette des informations entre les générations, ils se disputèrent, les organismes auraient déjà dû évoluer dans une certaine mesure; une possibilité assez improbable, dit Craft. En tant que tel, de nombreux scientifiques considéraient l'ADN et l'ARN comme des biosignatures moins importantes et ont plutôt donné la priorité aux autres éléments constitutifs de la vie, tels que les acides aminés, les constituants de toutes les protéines et enzymes. "La vie n'aurait pas besoin d'être " aussi évoluée " pour ces signatures, " L'artisanat a expliqué.

Donc, l'équipe a changé de vitesse pour créer un système de préparation d'échantillons miniature pour les acides aminés. la chimiste de l'APL Jen Skerritt, ingénieur chimiste Tess Van Volkenburg, et plus tard Korine Ohiri, un expert en microfluidique, rejoint l'équipe. Depuis 2018, ils ont progressivement perfectionné le design.

À environ 4 pouces de large, 4 pouces de long, et 2 pouces de hauteur, le système peut facilement tenir dans la paume de votre main. Pourtant, il est équipé de toutes les pompes et vannes nécessaires pour faire passer un échantillon. La région active de la dernière conception est remplie de minuscules billes qui attirent les acides aminés dans les solutions acides tandis que les sels et autres saletés continuent de s'écouler de l'autre côté dans un dépôt de déchets. Après le passage de l'échantillon, les acides aminés sont extraits des billes avec une solution basique et expédiés vers le détecteur attaché à la puce.

Concevoir un système de préparation de l'espace n'a pas été facile, dit Ohiri. La quantité de puissance disponible est une fraction de ce qui peut être utilisé en laboratoire, et les matériaux doivent résister à des températures et des radiations potentiellement extrêmes. L'équipe fabrique actuellement le système de purification d'acides aminés à partir de matériaux de prototypage rapide courants, telles que les résines haute résolution utilisées en impression 3D, mais faire en sorte que le matériau soit digne de l'espace tout en maintenant ses performances, Ohiri a dit, reste difficile. "Mais c'est ce qui est si excitant dans ce projet :il y a tellement d'aspects qui sont vraiment à la pointe de la technologie."

Le compromis avec les acides aminés, bien que, c'est qu'ils sont partout, des météorites aux comètes en passant par les nuages ​​interstellaires. Certains indices peuvent indiquer s'ils sont biologiques ou non. Les acides aminés se présentent sous deux formes qui sont des images miroir l'une de l'autre :l'une considérée comme gaucher, l'autre droitier. Par un coup de chance de l'évolution, toute vie sur Terre utilise uniquement les acides aminés gauchers. Donc par extension, si un type apparaît plus que l'autre dans un échantillon d'un autre monde, ça peut être un signe de vie.

Bradburne, cependant, ne l'achète pas complètement. « Comment savez-vous que ce n'est pas seulement une contamination ? » Il a demandé, comme d'un microbe faisant de l'auto-stop qui a échappé d'une manière ou d'une autre au processus de nettoyage en profondeur par lequel tous les engins spatiaux passent avant le lancement. Détecter la vie dans l'univers, il dit, ne consiste pas seulement à détecter les molécules que vous recherchez, mais en minimisant les chances d'obtenir un faux positif et en s'assurant que vos expériences sont reproductibles.

L'ADN et l'ARN ne sont pas nécessairement meilleurs pour résoudre ces problèmes, à moins que vous ne puissiez les séquencer. Et c'est pourquoi, quand les séquenceurs nanopore ont été inventés, l'équipe a vu une nouvelle opportunité.

La route du séquençage

Les séquenceurs Nanopore sont petits, des machines de la taille d'une clé USB qui peuvent prendre un brin d'ADN ou d'ARN et lire la série de blocs de construction moléculaire qui le composent. Le fil se déplace à travers un pore d'à peine un milliardième de pouce de large et traversé par un champ électrique. Chaque nucléotide perturbe de manière unique ce champ électrique lorsqu'il se déplace à travers le pore. Et un ordinateur peut interpréter cette perturbation et dire exactement quel nucléotide vient de traverser.

En plus d'être la taille idéale pour un vaisseau spatial, Bradburne a dit, les séquenceurs nanopores devraient, en théorie, être capable d'interpréter tout type de molécule à longue chaîne qui passe - ADN, ARN, protéines, ou un XNA inconnu. Mais ils réduisent également les chances qu'un signal ne soit pas seulement un microbe clandestin. Les organismes terrestres ont des brins reconnaissables, tels que ceux qui codent pour des enzymes spécifiques et d'autres protéines communes aux êtres vivants sur Terre. Donc, si les séquences semblent correspondre à celles que l'on trouve fréquemment ici sur Terre, il s'agit probablement d'un faux positif.

"Les retours scientifiques seraient tout simplement incroyables, " a déclaré Bradburne.

Il y a un tas de raisons, bien que, pourquoi les séquenceurs nanopores actuels ne sont pas prêts pour l'espace. Pour un, ils sont faits de matériaux qui ne peuvent pas résister à des années de températures et de rayonnement sous le point de congélation ; même sur Terre, ils ne durent que six mois environ. Encore plus problématique est qu'ils utilisent des protéines de bactéries staphylocoques pour le pore, soulevant des inquiétudes quant à l'introduction accidentelle de produits biologiques provenant de la Terre.

Ces défis ont forcé l'équipe à commencer à développer un nouveau séquenceur et le système de préparation d'échantillons qui l'accompagne.

"L'idée est que, finalement, nous aurons un instrument complet pour préparer l'échantillon comme nous le voulons et ensuite l'analyser, " dit Craft.

Le volet préparation des échantillons a fait des progrès considérables au cours de la dernière année. L'équipe essaie des ondes sonores et d'autres méthodes perturbatrices pour briser les cellules ouvertes et les spores qui peuvent abriter le matériel génétique et les billes magnétiques pour ensuite retenir les molécules à longue chaîne.

Mais la conception du séquenceur nanopore a été plus difficile. Une plate-forme synthétique avec des nanopores pressés est la plus idéale, mais comment contrôler la taille des pores et les faire ralentir la molécule afin que l'ordinateur puisse enregistrer chaque molécule de la chaîne lors de son passage reste incertain. Un collaborateur canadien a même suggéré de faire les pores lorsqu'ils atteignent la destination pour atténuer les problèmes de durée de conservation. "Je ne sais pas comment nous ferions cela, mais rien n'est hors de la table en ce moment, " a déclaré Bradburne.

Malgré les obstacles, l'équipe n'a pas perdu de temps pour parler de son outil avec des chercheurs développant des missions de concept. "On en parle quand on peut, " Craft a dit, surtout pour faire savoir aux gens que c'est à venir, instrument viable.

Et un concept récent, une mission sur la lune Encelade de Saturne, comprend quelque chose de très similaire.

Une autre recherche de la vie

À 314 miles de large - environ la largeur de la Pennsylvanie - et en moyenne neuf fois plus loin du Soleil que la Terre, Encelade n'aurait dû être qu'une boule de glace gelée.

Mais en 2006, La mission Cassini de la NASA a révélé une découverte alléchante :un panache de vapeur d'eau et de glace crachant de quatre "rayures de tigre" caverneuses au pôle sud d'Encelade. Diverses mesures indiquent que les failles sont directement liées à un océan d'eau liquide global sous la surface. L'océan peut interagir avec le noyau rocheux de la lune d'une manière similaire aux cheminées hydrothermales des grands fonds de la Terre, où vivent et prospèrent près de 600 espèces animales.

Alors que Cassini passait à travers les panaches, il a trouvé des molécules comme le méthane, gaz carbonique, et l'ammoniac — des fragments chimiques présumés de molécules plus complexes avec quatre des six éléments essentiels à la vie :le carbone, hydrogène, l'azote et l'oxygène.

"Encelade est un monde océanique où nous avons suffisamment de données pour aller au-delà de la question de savoir s'il est habitable, " a déclaré Shannon MacKenzie, un planétologue à l'APL. « A Encelade, nous sommes prêts à passer à l'étape suivante et à rechercher des signes de vie."

MacKenzie a récemment dirigé le développement d'un concept de mission qui ferait exactement cela. Il s'appelle Encelade Orbilander, et il fonctionnerait exactement comme ça sonne :orbiteur partiel, partie-atterrisseur. Six instruments effectueraient des mesures sur le matériel recueilli dans le panache d'Encelade pour rechercher plusieurs biosignatures potentielles - acides aminés gauche et droit, graisses et autres hydrocarbures à longue chaîne, molécules capables de stocker des informations génétiques, et même des structures semblables à des cellules.

En tant que concept de mission, l'étude Orbilander n'identifie pas d'implémentations d'instruments spécifiques comme celles que l'équipe de Craft et Bradburne produit, mais cela inclut leurs idées conceptuelles.

"Il y aura toujours une certaine incertitude dans les mesures de recherche de vie, " a déclaré MacKenzie. " C'est pourquoi avoir une bonne étape de préparation d'échantillon, ce qui permet de minimiser la limite de détection, est si important, et pourquoi avoir des instruments comme le séquenceur nanopore, qui peut offrir à la fois l'identification et la caractérisation, sont si critiques."

Avec la chance de goûter à une lune océanique, L'équipe de Craft et Bradburne essaie de déterminer la quantité d'eau nécessaire pour détecter ces biosignatures. Et bien sûr, ce n'est pas facile. "Je pensais que nous pourrions aller dans ces mondes océaniques, plonger nos orteils dedans, et pouvoir voir si la vie est là ou pas, " dit Craft. Mais en lisant les recherches des océanographes, elle a appris qu'ils doivent filtrer des litres d'eau pour rechercher des preuves de vie, même ici sur Terre. "C'est tout simplement incroyable. À cause de toute cette eau là-bas, c'est tellement dilué, " elle a dit.

Comment collecter des volumes d'eau aussi importants et les concentrer sur un autre monde ? Comment les traiter dans une micropuce et voir s'il y a des molécules importantes là-bas ?

"Il y a juste un tas de défis qui n'ont pas encore été relevés, " Dit Craft. L'équipe continue de se brancher, bien que. Le mois dernier, ils ont effectué des expériences en vidant divers volumes d'échantillons d'acides aminés dilués dans l'eau de mer à travers leur puce d'échantillon. Les premiers résultats sont prometteurs, avec le système capturant tous les acides aminés à une gamme d'efficacités qui seront rapportées dans un prochain article scientifique.

Si jamais passé du concept à la rampe de lancement, Encelade Orbilander ne décollera qu'au milieu des années 30, donnant à Craft et à l'équipe de Bradburne un peu de temps pour développer davantage ses outils. Mais même si la technologie n'est pas prête pour cette mission, Ohiri, comme les autres membres de l'équipe, reste optimiste que la technologie volera un jour.

« J'espère que lorsque la technologie sera suffisamment mature, il y aura une mission dans les livres, et nous serons prêts pour cela, " elle a dit.