Een zeer gevoelig instrument heeft sterke biofluorescentiesignalen opgepikt van gefossiliseerde organismen die miljoenen jaren geleden zijn omgekomen. Volgens de ontwikkelaars zou de nieuwe Compact Color Biofinder net zo handig zijn bij het detecteren van tekenen van leven op andere planetaire lichamen en zou daarom een cruciale rol kunnen spelen bij toekomstige missies van NASA en andere ruimteagentschappen.
Biologische materialen zoals aminozuren, eiwitten, lipiden en zelfs sedimentaire gesteenten zenden allemaal biofluorescentiesignalen uit die kunnen worden gedetecteerd met speciale camera's. De Compact Color Biofinder, die is ontwikkeld door Anupam Misra van het Hawaï Instituut voor Geofysica en Planetologie de UH Manoa School voor Oceaan- en Aardwetenschappen en Technologie (SOEST), verbetert deze oudere camera's door minuscule hoeveelheden bioresten te detecteren die zich aan stenen hechten. Het kan ook op een afstand van enkele meters werken en grote gebieden snel scannen.
"De eerste versie van Biofinder is gemaakt met behulp van een grote gevoelige ICCD-detector [intensified charge-coupled device]", zegt Misra. “Omdat de signalen van dit instrument erg sterk waren, dacht ik dat een kleinere CMOS-kleurencamera zou kunnen worden gebruikt. Dankzij de gevoelige, low light CMOS-detectoren die vandaag beschikbaar zijn, is dit nu mogelijk.”
Eenvoudig werkingsprincipe
Het werkingsprincipe van Biofinder is eenvoudig, vertelt Misra Natuurkunde wereld. Alle biofluorescentie heeft een zeer korte levensduur van minder dan 20 nanoseconden, dus het systeem verlicht eerst een gebied met behulp van een geëxpandeerde gepulseerde laserstraal met een pulsbreedte van enkele nanoseconden. De CMOS-camera maakt vervolgens een fluorescentiebeeld met de kortste belichtingstijd (1 µs voor de huidige detector). Het systeem wacht dan op de volgende laserpuls om de meting te herhalen.
“Onze laser vuurt in één seconde 20 laserpulsen af”, legt Misra uit. "Daarom neemt het systeem 20 beeldframes per seconde en draait het op videosnelheid." De detectielimieten liggen onder het ppm-niveau op een doelafstand van één meter, voegt hij eraan toe.
Detectie van bioresidu in visfossielen
In hun werk, dat ze in detail Nature Scientific Reports, Misra en collega's bestudeerden bio-residuen in visfossielen uit de Groene rivier formatie, die dateert uit het Eoceen 56-33.9 miljoen jaar geleden. Ze ontdekten dat de fossielen nog steeds aanzienlijke hoeveelheden residu bevatten, wat impliceert dat deze organische stof niet volledig is vervangen door mineralen in het fossilisatieproces, zelfs niet na zo'n lange tijd.
Het team ondersteunde de bevindingen van de Biofinder-fluorescentiebeelden met metingen met behulp van een reeks andere technieken, waaronder Raman en verzwakte totale reflectie Fourier-transform infrarood (ATR-FIR) spectroscopie, scanning-elektronenmicroscopie (SEM), energiedispersieve röntgenspectroscopie (SEM-EDS) en fluorescentie lifetime imaging microscopie (FLIM).
De resultaten bevestigen dat biologische residuen miljoenen jaren kunnen overleven, zegt Misra, en dat biofluorescentiebeeldvorming effectief is om deze sporenresiduen in realtime te detecteren.
"Kritiek in toekomstige NASA-missies"
De zoektocht naar leven - of het nu bestaand of uitgestorven is - op andere planeten is een belangrijk doel voor planetaire verkenningsmissies, en de onderzoekers hopen dat hun technologie ooit een onderdeel zal worden van missies die zijn ontworpen om te zoeken naar biomarkers op verre werelden. Inderdaad, ze solliciteren nu om hun instrumentruimte gekwalificeerd te krijgen.
'Wederzijdse detecteerbaarheid' zal de zoektocht naar buitenaardse beschavingen verbeteren
"Als de Biofinder op een rover op Mars of een andere planeet zou zijn gemonteerd, zouden we snel grote gebieden kunnen scannen om bewijs van vorig leven te detecteren, zelfs als het organisme klein was, niet gemakkelijk te zien met onze ogen en dood voor vele miljoenen jaren”, zegt Misra. "We verwachten dat fluorescentiebeeldvorming van cruciaal belang zal zijn in toekomstige NASA-missies om organische stoffen en het bestaan van leven op andere planetaire lichamen te detecteren."
Studie co-auteur Sonia J Rowley voegt eraan toe dat de mogelijkheden van de Biofinder ook belangrijk zouden zijn voor NASA's Planetair beschermingsprogramma, die tot doel heeft verontreinigingen zoals aardmicroben op uitgaande ruimtevaartuigen te detecteren, evenals eventuele buitenaardse biologische gevaren die de terugreis zouden kunnen maken.
