Untersuchung von Biomarkern in Wassereis-Einschlüssen des subglazialen Vostok-Sees mittels Kryo-Raman-Mikroskopie und Next Generation Sequencing
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt zielte auf die Synergie von fortgeschrittlicher Analytik, kryogener Raman- Mikroskopie und Next Generation Sequencing (NGS) zur schrittweisen (vor und nach der Eisschmelze) Detektion und Identifizierung spezifischer biogener Marker in Eiskernen von Bohrungen aus dem subglazialen antarktischen Wostoksee. Das Projekt wurde nach 2021 durch höhere Gewalt (Krieg in der Ukraine) beeinträchtigt, aufgrund dessen keine Eiskernproben vom Wostoksee für das Projekt zur Verfügung gestellt werden konnten. Infolgedessen konnte das ursprünglich geplante Forschungsprogramm nicht durchgeführt werden. Stattdessen wurde ein adaptierter Plan gesetzt, der dem ursprünglichen Vorschlag so nah wie möglich folgte. Trotz dieser Herausforderungen wurden bedeutende Ergebnisse erzielt: 1. In Experimenten mit konfokaler Raman-Mikroskopie unter Verwendung eines 532-nm-Anregungslasers konnte die Fähigkeit demonstriert werden, Raman-Signale nicht-biogenen Ursprungs aus mehreren hundert Mikrometern bis zu mehreren Millimetern Tiefe in monokristallinem Eis (die Proben stammen aus 3607 m Tiefe des subglazialen Wostoksees und standen bei Projektbeginn zur Verfügung) gemessen. Unter diesen Bedingungen, bei denen die Anregung und die Stokes-verschobene Emission im sichtbaren Bereich liegen, sind die Wassereismatrizen nahezu transparent. In dieser Tiefe konnten sowohl feste Einschlüsse als auch gefrorene und flüchtige Bestandteile in den Eismatrizen detektiert werden. 2. Es wurde ein Raman-Spektrometer mit der Fähigkeit zur Detektion einzelner Raman- Photonen entwickelt, charakterisiert und implementiert. Unser Demonstrator nutzt einen supraleitenden Einzelpixel-Nanodraht-Detektor und ein faserdispersives Element. Im gepulsten Anregungsmodus mit Femtosekunden- und Pikosekundenlasern betrieben, konnte ein Kompromiss zwischen zeitlichen Parametern und spektraler Auflösung unter Verwendung handelsüblicher Siliziumdioxidfasern erreicht werden. Weitere Verbesserungen sind durch spezielle dispersive Elemente und optimierte Designs zur Detektion von Raman-Photonen möglich. Diese hohe Empfindlichkeit könnte die Wahrscheinlichkeit der Suche nach Lebenszeichen in extremen eisigen Umgebungen, wie tiefen subglazialen Seen und Eismatrizen auf der Erde sowie auf eisbedeckten Monden im Sonnensystem, deutlich erhöhen. 3. Der starke Einfluss ultraniedriger Temperaturen auf die Strahlenresistenz von DNA wurde bei bestimmten Biomolekülen unter Tiefgefrierbedingungen (bis nahezu -200 °C) beobachtet. Die wasserfreien Biomoleküle, wie das bakterielle 16S rRNA-Gen, zeigten höhere Schädigungsschwellen (>750 kGy) im Vergleich zu Kontrollproben (<7,5 kGy), die in Matrizen mit Kontakt zu lokaler Wasserumgebung eingebettet waren. Dies könnte ein spezifisches Zeitfenster eröffnen - im Bereich der typischen Vorbereitungs- und Durchführungszeit von In-situ-Raman-Experimenten -, um unzerstörte Biomoleküle nach deren Auswurf auf der Oberfläche eines atmosphärenlosen eisigen Mondes zu detektieren. Ein solches Szenario wurde auf dem Saturnmond Enceladus beobachtet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Feasibility of fiber-dispersive Raman spectrometer with single-photon sensitivity for detection of biomarkers in rock-forming minerals and ice matrices M. Sidorova, M. Baqué, U. Böttger, S. G. Pavlov, A. D. Semenov, and H‐W. Hübers, GeoRaman International Conference, 29 Aug. – 1 Sept. 2022, Prague, Czech Republic
M. Sidorova, M. Baqué, U. Böttger, S. G. Pavlov, A. D. Semenov & H‐W. Hübers
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On the Detection and Identification of Low-density Organic Matter and Biosignatures using Raman Scattering under Simulated Environments Related to Icy Moons, M. Sidorova, M. Baqué, S. G. Pavlov, S. A. Bulat, U. Böttger, and H.-W. Hübers. The Astrobiology Science Conference (AbSciCon 2022), 15 - 20 May 2022, Atlanta, USA Session: Alternative and agnostic biosignatures, id. 312-02
M. Sidorova, M. Baqué, S. G. Pavlov, S. A. Bulat, U. Böttger & H.-W. Hübers
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Short (100 bp) dsDNA Stretches Can Withstand 1mGy Gamma-Irradiation Dose at Jovian Europa’s Surface. Wiley.
Bulat, Sergey; Tolicheva, Olga; Verbenko, Valera; Yaroshevich, Tatyana; Cheptsov, Vladimir & Hübers, Heinz-Wilhelm
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Feasibility of a Fiber-Dispersive Raman Spectrometer for Biomarker Detection. Applied Spectroscopy, 78(10), 1098-1104.
Sidorova, Mariia; Pavlov, Sergey G.; Böttger, Ute; Baqué, Mickael; Semenov, Alexei D. & Hübers, Heinz-Wilhelm
