Leben im All hinterlässt einen molekularen Fingerabdruck, dieser Sensor soll ihn erkennen
Ein Nanogap aus Gold unterscheidet linke und rechte Aminosäuren elektrisch. Die Technik könnte einmal bei der Suche nach Leben im All helfen.
Bodenprobe aus der Atacama-Wüste: Solche extrem trockenen Standorte dienen Forschenden als Testumgebung für Verfahren, die nach möglichen Biosignaturen suchen.
Foto: Christopher E. Carr
Zwei Moleküle können aus exakt denselben Atomen bestehen und trotzdem nicht gleich sein. Manche verhalten sich zueinander wie linke und rechte Hand: Sie sind spiegelverkehrt aufgebaut und lassen sich nicht zur Deckung bringen. Bei Aminosäuren könnte dieser kleine Unterschied sogar bei der Suche nach außerirdischem Leben eine Rolle spielen.
Forschende der Universität Osaka haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich die beiden Varianten einzelner Aminosäuren elektrisch unterscheiden lassen. Dafür schicken sie die Moleküle durch einen nur rund 0,6 nm breiten Spalt zwischen Goldelektroden und messen Veränderungen im Tunnelstrom.
Eine künstliche Intelligenz wertet die charakteristischen Stromsignale aus. Bei einzelnen bekannten Aminosäuren konnte das System die linke und rechte Form mit mehr als 80 % Genauigkeit unterscheiden.
Die Ergebnisse sind am 5. Oktober 2026 in Nature Communications erschienen.
Inhaltsverzeichnis
- Warum Aminosäuren eine Spur zu Leben liefern können
- Ein Molekül verändert den Tunnelstrom
- KI sucht Unterschiede in den Stromkurven
- Der schwierigere Test kam mit echten Proben
- Vergleich mit etablierter Labortechnik
- Chiralität allein beweist kein Leben
- Warum ein elektrischer Sensor für Raumfahrt interessant ist
Warum Aminosäuren eine Spur zu Leben liefern können
Aminosäuren gehören zu den Grundbausteinen von Proteinen. 19 der 20 proteinogenen Aminosäuren können in zwei spiegelbildlichen Formen vorkommen. Sie werden als L- und D-Form bezeichnet. Glycin bildet die Ausnahme: Dieses Molekül besitzt kein chirales Zentrum und hat deshalb keine solche Händigkeit.
Das Leben auf der Erde zeigt eine auffällige Vorliebe. Proteine bestehen fast ausschließlich aus L-Aminosäuren. Bei vielen abiotischen chemischen Prozessen entstehen L- und D-Aminosäuren dagegen ungefähr im Verhältnis 1:1. Ein deutlicher Überschuss einer Seite kann daher Hinweise auf biologische oder präbiotische Prozesse liefern.
Ein Beweis für Leben wäre er allerdings nicht. Auch nichtbiologische Prozesse können unter bestimmten Bedingungen ein Ungleichgewicht erzeugen.
Wie schwierig die Interpretation ist, zeigen Proben von Asteroiden. Material des Asteroiden Bennu enthielt zahlreiche Aminosäuren, die untersuchten chiralen Varianten lagen jedoch annähernd im Verhältnis 1:1 vor. Mehr über die organischen Moleküle und Aminosäuren in den Bennu-Proben lesen Sie hier auf ingenieur.de. Auch Proben des Asteroiden Ryugu zeigten bei untersuchten Aminosäuren weitgehend solche racemischen Mischungen.
Ein Molekül verändert den Tunnelstrom
Das neue Verfahren setzt nicht bei der chemischen Zusammensetzung an, sondern bei der Wechselwirkung eines einzelnen Moleküls mit zwei extrem eng beieinanderliegenden Elektroden. Die Forschenden verwenden dafür zwei atomar zugespitzte Goldelektroden. Zwischen ihnen bleibt ein Spalt von rund 0,56 bis 0,58 nm.
Zwischen den Elektroden fließt ein quantenmechanischer Tunnelstrom. Diffundiert ein Aminosäuremolekül durch den Spalt, verändert es diesen Strom für kurze Zeit. Es entsteht ein charakteristischer Strompuls.
Gemessen werden unter anderem die Stromstärke und die Dauer des Signals. Der erstaunliche Punkt: L- und D-Aminosäuren besitzen die gleichen Atome und dieselben elektronischen Energieniveaus. Trotzdem unterscheiden sich ihre Stromsignale statistisch voneinander.
Die Forschenden vermuten, dass dabei die Orientierung des Moleküls sowie seine kurzzeitige Wechselwirkung mit der atomaren Struktur der Goldelektroden eine Rolle spielen. Vollständig verstanden ist der Effekt noch nicht.
KI sucht Unterschiede in den Stromkurven
Mit bloßem Blick lassen sich die Signale nicht zuverlässig zuordnen. Deshalb trainierten die Forschenden Algorithmen des maschinellen Lernens mit Tausenden gemessenen Stromverläufen. Getestet wurden die L- und D-Formen von 19 Aminosäuren sowie Glycin. Insgesamt musste das System damit 39 verschiedene Molekülklassen unterscheiden.
Bei bekannten Einzelstoffen gelang die Trennung der beiden spiegelbildlichen Formen mit einer Genauigkeit von mehr als 80 %.
Deutlich schwieriger wurde die Aufgabe, sobald gleichzeitig die Art der Aminosäure und ihre Händigkeit bestimmt werden mussten. Bei allen 39 möglichen Klassen sank die Zuverlässigkeit erheblich. Sie lag aber weiterhin deutlich über einer zufälligen Zuordnung. Auch Mischungen aus mehreren Aminosäuren konnte das Verfahren auswerten. Die Ergebnisse zeigen allerdings, dass die Methode mit zunehmender chemischer Komplexität noch deutlich unsicherer wird.
Der schwierigere Test kam mit echten Proben
Bis zu diesem Punkt arbeiteten die Forschenden mit kontrollierten Lösungen. Für einen realistischen Test brauchten sie Proben, in denen zahlreiche unterschiedliche Stoffe gleichzeitig vorkommen. Das Team untersuchte deshalb Aminosäureextrakte aus dem Murchison-Meteoriten sowie Bodenextrakte von zwei Standorten in der Atacama-Wüste.
Der 1969 in Australien gefundene Murchison-Meteorit gehört zu den bekanntesten kohlenstoffreichen Meteoriten. In ihm wurden bereits zahlreiche organische Verbindungen und Aminosäuren nachgewiesen.
Solche Meteoriten sind für die Forschung besonders interessant, weil sie Hinweise darauf liefern können, welche organischen Moleküle bereits im frühen Sonnensystem vorhanden waren. Allerdings erreichen gerade kohlenstoffreiche Objekte die Erde vergleichsweise selten. Warum das so ist, erklärt der Beitrag „Warum die meisten Meteoriten nicht von Leben erzählen“ auf ingenieur.de.
Vergleich mit etablierter Labortechnik
Für die natürlichen Proben beschränkte das Team die Auswertung auf elf vorher festgelegte Molekülklassen: Glycin sowie jeweils die L- und D-Form von fünf Aminosäuren. Als Referenz dienten Analysen mit Flüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie.
Der Nanogap-Sensor konnte wichtige Muster der Aminosäurezusammensetzung nachvollziehen. Beim Murchison-Meteoriten erkannte das Verfahren beispielsweise Glycin als häufigste der untersuchten Aminosäuregruppen. Die Übereinstimmung war jedoch nicht durchgehend gut. Je nach Aminosäure und Probe wichen die gemessenen Anteile und D/L-Verhältnisse teilweise deutlich von den Referenzwerten ab.
Besonders problematisch waren geringe Konzentrationen und chemische Hintergrundsignale. Die Forschenden mussten deshalb unsichere Messereignisse herausfiltern. Bei der Murchison-Probe ließ sich knapp die Hälfte der ausgewerteten Signale mit hoher Sicherheit einer der elf gesuchten Klassen zuordnen. Bei den Atacama-Proben war der Anteil geringer. Damit ist klar: Der Sensor kann derzeit keine unbekannte Probe vollständig analysieren. Er sucht gezielt nach zuvor festgelegten Molekülen.
Chiralität allein beweist kein Leben
Auch ein perfekt arbeitender Sensor hätte noch ein grundsätzliches Problem: Eine ungewöhnliche Verteilung von L- und D-Aminosäuren wäre lediglich ein Indiz.
Ältere Untersuchungen von Meteoriten hatten bei mehreren Aminosäuren deutliche Überschüsse der L-Form ergeben. Solche Befunde galten zeitweise als möglicher Hinweis darauf, dass bereits chemische Prozesse im frühen Sonnensystem die spätere Linkshändigkeit des Lebens vorbereitet haben könnten. Neuere Analysen zeichnen ein vorsichtigeres Bild.
Bei den nahezu unberührt zur Erde gebrachten Proben der Asteroiden Ryugu und Bennu fanden Forschende überwiegend gleiche Mengen beider Molekülformen. Frühere starke L-Überschüsse in Meteoriten werden daher zumindest teilweise auf Verunreinigungen durch irdisches Material zurückgeführt.
Bei der Suche nach möglichen Biosignaturen auf dem Mars gilt deshalb ebenfalls: Kein einzelnes organisches Molekül reicht als Lebensnachweis. Erst mehrere unabhängige Hinweise können ein überzeugendes Gesamtbild ergeben.
Warum ein elektrischer Sensor für Raumfahrt interessant ist
Die etablierten Verfahren zur Bestimmung der Chiralität liefern sehr genaue Ergebnisse, sind aber oft technisch aufwendig. Sie benötigen beispielsweise optische Komponenten, Trennverfahren oder speziell präparierte Moleküle.
Der Nanogap-Sensor kommt mit einem einfacheren Messprinzip aus: Er liest die Moleküle direkt über ihre elektrischen Signale aus. Für die Unterscheidung von L- und D-Formen braucht er weder eine optische Messung noch chirale Erkennungsmoleküle. Das könnte den Weg zu deutlich kompakteren Analysegeräten öffnen.
Die Forschenden sehen deshalb auch Potenzial für künftige Raumfahrtmissionen. Elektrische Messsysteme könnten kleiner und weniger empfindlich gegenüber Vibrationen sein als optische Aufbauten. Ob sich diese Vorteile mit dem aktuellen Sensor tatsächlich erreichen lassen, muss allerdings erst noch gezeigt werden.
Für einen Einsatz auf einem Marsrover oder einer Raumsonde müsste die Technik erheblich weiterentwickelt werden. Dazu gehören robuste Probenaufbereitung, deutlich bessere Erkennungsraten, die Unterscheidung unbekannter Moleküle sowie Tests unter den Bedingungen einer Raumfahrtmission. Dass gerade kompakte Instrumente für die Suche nach lebensfreundlichen Umgebungen gefragt sind, zeigt auch die Raumfahrtforschung an anderen Zielen. VDI nachrichten berichtet beispielsweise über eine geplante Venussonde, die während ihres Abstiegs nach Bedingungen für Leben suchen soll.
Quellen
- Nature Communications: Chiral discrimination of amino acids in meteorite and desert soil extracts via single-molecule nanogap conductance, veröffentlicht am 5. Oktober 2026.
- NASA: Asteroid Bennu Sample Reveals Mix of Life’s Ingredients – Ergebnisse zu Aminosäuren und deren Chiralität in Bennu-Proben.
- JAXA: Soluble organic molecules in samples of asteroid Ryugu – Analysen organischer Moleküle und racemischer Aminosäuren in Ryugu-Proben.
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