Patrones moleculares para ayudar a identificar vida extraterrestre

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Una nueva técnica de aprendizaje automático evalúa mezclas orgánicas complejas utilizando espectrometría de masas, de forma capaz de confirmar posibles biofirmas en otros mundos de manera confiable.

Actualmente existen numerosas formas en que los científicos están buscando vida extraterrestre. Estos incluyen escuchar señales de radio de civilizaciones avanzadas en el espacio profundo, buscar diferencias sutiles en la composición atmosférica de los planetas alrededor de otras estrellas e intentar medirlas directamente en muestras de suelo y hielo que pueden recolectar usando naves espaciales en nuestro propio Sistema Solar. Esta última categoría les permite llevar su instrumentación analítica química más avanzada directamente a las muestras, y tal vez incluso traer algunas de las muestras de regreso a la Tierra, donde pueden ser escrutadas cuidadosamente.

Misiones como el rover Perseverance de la NASA buscarán vida este año en Marte; El Europa Clipper de la NASA, que se lanzará en 2024, intentará tomar muestras de hielo expulsado de la luna Europa de Júpiter, y su misión Dragonfly intentará aterrizar un “octacóptero” en la luna Titán de Saturno a partir de 2027. Todas estas misiones intentarán responder a la pregunta de si estamos solos.

La espectrometría de masas (MS) es una técnica principal en la que los científicos confiarán en las búsquedas de vida extraterrestre basadas en naves espaciales. La MS tiene la ventaja de que puede medir simultáneamente multitud de compuestos presentes en las muestras y, por tanto, proporcionar una especie de “huella digital” de la composición de la muestra. Sin embargo, interpretar esas huellas dactilares puede resultar complicado.

Hasta donde los científicos pueden decir, toda la vida en la Tierra se basa en los mismos principios moleculares altamente coordinados, lo que les da a los científicos la confianza de que toda la vida de la Tierra se deriva de un ancestro terrestre antiguo común.

Sin embargo, en las simulaciones de los procesos primitivos que los científicos creen que pueden haber contribuido a los orígenes de la vida en la Tierra, a menudo se detectan muchas versiones similares pero ligeramente diferentes de las moléculas particulares que utiliza la vida terrestre. Además, los procesos químicos que ocurren naturalmente también pueden producir muchos de los componentes básicos de las moléculas biológicas.

Dado que todavía no tenemos una muestra conocida de vida extraterrestre, esto deja a los científicos con una paradoja conceptual: ¿la vida terrestre tomó algunas decisiones arbitrarias al principio de la evolución que se bloquearon y, por lo tanto, la vida podría construirse de otra manera, o deberíamos esperar que toda la vida? en todas partes está obligado a ser exactamente igual que en la Tierra? ¿Cómo podemos saber que la detección de un tipo de molécula en particular es indicativa de si fue o no producida por vida extraterrestre?

Durante mucho tiempo ha preocupado a los científicos que los sesgos en cómo pensamos que la vida debería ser detectable, que se basan en gran medida en cómo es la vida en la Tierra en la actualidad, podrían hacer que nuestros métodos de detección fallen. De hecho, Viking 2 arrojó resultados extraños de Marte en 1976. Algunas de las pruebas que realizó dieron señales consideradas positivas para la vida, pero las mediciones de MS no proporcionaron evidencia de vida tal como la conocemos.

Los datos de MS más recientes del rover Curiosity de la NASA sugieren que hay compuestos orgánicos en Marte, pero aún no proporcionan evidencia de vida. Un problema relacionado ha plagado a los científicos que intentan detectar la evidencia más temprana de vida en la Tierra: ¿cómo podemos saber si las señales detectadas en muestras terrestres antiguas son de los organismos vivos originales conservados en esas muestras o se derivan de la contaminación de los organismos que actualmente impregnan nuestro planeta?

Los científicos del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida en el Instituto de Tecnología de Tokio en Japón y el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (The National MagLab) en EE.UU. decidieron abordar este problema utilizando un enfoque computacional combinado experimental y de aprendizaje automático. Publican resultados en la revista científica Life.

Utilizando MS de ultra alta resolución (una técnica conocida como espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón de iones por transformada de Fourier (o FT-ICR MS)) midieron los espectros de masas de una amplia variedad de mezclas orgánicas complejas, incluidas las derivadas de muestras biológicas elaboradas en el laboratorio, mezclas orgánicas que se encuentran en meteoritos, microorganismos cultivados en laboratorio, y el petróleo sin procesar que se deriva de organismos que vivió hace mucho tiempo en la Tierra, proporcionando un ejemplo de cómo la “huella dactilar” de organismos vivos conocidos podría cambiar a lo largo del tiempo geológico.

Cada una de estas muestras contenía decenas de miles de compuestos moleculares discretos, que proporcionaban un gran conjunto de espectros de EM que se podían comparar y clasificar.

A diferencia de los enfoques que utilizan la precisión de las mediciones de la EM para identificar de forma única cada pico con una molécula en particular en una mezcla orgánica compleja, los investigadores agregaron sus datos y observaron las estadísticas generales y la distribución de señales. Las mezclas orgánicas complejas, como las derivadas de los seres vivos, el petróleo y las muestras biológicas, presentan “huellas dactilares” muy diferentes cuando se ven de esta manera. Tales patrones son mucho más difíciles de detectar para un ser humano que la presencia o ausencia de tipos de moléculas individuales.

Los investigadores introdujeron sus datos en bruto en un algoritmo de aprendizaje automático de computadora y, sorprendentemente, descubrieron que los algoritmos podían clasificar con precisión las muestras como vivas o no vivas con una precisión del 95%. Es importante destacar que lo hicieron después de simplificar considerablemente los datos sin procesar, lo que hace plausible que los instrumentos de menor precisión, los instrumentos basados en naves espaciales a menudo son de baja potencia, pudieran obtener datos de resolución suficiente para permitir la precisión de clasificación biológica que obtuvo el equipo.

Las razones subyacentes por las que es posible que esta precisión de clasificación quede por explorar, pero el equipo sugiere que se debe a las formas en que los procesos biológicos, que modifican los compuestos orgánicos de manera diferente a los procesos biológicos, se relacionan con los procesos que permiten que la vida se propague. Los procesos vivos tienen que hacer copias de sí mismos, mientras que los procesos biológicos no tienen un proceso interno que lo controle.