Astronomia

Come stiamo identificando le sostanze chimiche nello spazio?

Come stiamo identificando le sostanze chimiche nello spazio?

Come identifichiamo le sostanze chimiche nello spazio? Ad esempio, come abbiamo trovato la nuvola di alcol metilico (noto anche come metanolo) in W3 (OH) che dista 6500 anni luce. Posso capire un ambito in grado di dire che c'è qualcosa, ma non vedo come determinano che non è solo l'alcol, ma il tipo di alcol.

Ecco un link al W3(OH): https://phys.org/news/2014-09-alcohol-clouds-space.html

Ma sto cercando una risposta generale - su come identifichiamo le sostanze chimiche, tutte le sostanze chimiche, nello spazio.


La scienza che studia il problema che hai descritto, si chiama "spettroscopia". Ogni elemento assorbe alcune delle lunghezze d'onda. Lo stesso è con le molecole. Lo spettro è come l'impronta della molecola.

Quando osservi la luce emessa da qualche oggetto, vedi lo spettro continuo, emesso dalle sorgenti luminose (stelle, ecc.). Ma ha alcune linee nere presenti. Queste sono le lunghezze d'onda che vengono assorbite dalle molecole e dagli elementi. Quindi lo confronti con diversi spettri sulla Terra (dove possiamo identificare la sostanza) e quando trovi lo stesso spettro, sai con un'altissima probabilità che questa è la sostanza che stai cercando.

Esempio per il metanolo: gli astronomi hanno osservato l'oggetto con la spettroscopia e hanno trovato lo spettro con alcune linee nere presenti. Lo hanno confrontato con vari altri spettri sulla Terra e hanno scoperto che il metanolo ha le stesse righe spettrali. Entrambe le misure possono essere mostrate con un grafico: https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?Spec=C67561&Index=1&Type=IR

Le linee spettrali sono normalmente mostrate con uno spettro (con colori) e alcune linee nere, ma questo grafico mostra le linee scure più fisicamente (non tutte vengono assorbite) su un grafico come valli profonde.

Sii consapevole! Potrebbe esserci redshift presente in oggetti distanti. Ciò significa che le linee si sposterebbero sulla parte rossa dello spettro. (Simile all'effetto Doppler.)


Per la prima volta nello spazio sono state trovate molecole di anelli di carbonio legate alla vita

Il telescopio Green Bank largo 100 metri (nella foto) nel West Virginia ha rilevato la prima firma radio definitiva dallo spazio di molecole organiche ad anello note come PAH.

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Per la prima volta nello spazio sono state identificate molecole complesse contenenti carbonio che potrebbero aiutare a spiegare come è iniziata la vita.

Queste molecole, chiamate idrocarburi policiclici aromatici, o PAH, sono costituite da diversi anelli esagonali di carbonio collegati con atomi di idrogeno ai bordi. Gli astronomi sospettano da decenni che queste molecole siano abbondanti nello spazio, ma nessuna era stata individuata direttamente prima.

Molecole più semplici con un singolo anello di carbonio sono state viste prima. Ma "ora siamo entusiasti di vedere che siamo in grado di rilevare questi PAH più grandi per la prima volta nello spazio", afferma l'astrochimico Brett McGuire del MIT, il cui team riporta la scoperta nel 19 marzo. Scienza.

Lo studio di queste molecole e di altre simili potrebbe aiutare gli scienziati a capire come potrebbero iniziare nello spazio i precursori chimici della vita. "Il carbonio è una parte fondamentale delle reazioni chimiche, in particolare le reazioni che portano alle molecole essenziali della vita", afferma McGuire. "Questa è la nostra finestra su un enorme serbatoio di loro."

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Dagli anni '80, gli astronomi hanno visto un misterioso bagliore infrarosso proveniente da punti all'interno della nostra galassia e di altri. Molti sospettavano che il bagliore provenisse dagli IPA, ma non sono stati in grado di identificare una fonte specifica. I segnali di diversi IPA si sovrappongono troppo per separarli, come un coro che si fonde così bene che l'orecchio non riesce a distinguere le singole voci.

Invece di cercare nei segnali infrarossi una singola voce, McGuire e colleghi si sono rivolti alle onde radio, dove diversi IPA cantano canzoni diverse. Il team ha addestrato il potente Green Bank Telescope in West Virginia su TMC-1, una nuvola scura a circa 430 anni luce dalla Terra vicino alla costellazione del Toro.

La nube interstellare TMC-1 (in alto, filamenti neri) appare come una striscia scura nel cielo accanto al brillante ammasso stellare delle Pleiadi (a destra) Brett A. McGuire

In precedenza, McGuire aveva scoperto che la nube contiene benzonitrile, una molecola costituita da un singolo anello di carbonio (SN: 10/2/19). Quindi ha pensato che fosse un buon posto per cercare molecole più complicate.

Il team ha rilevato 1 e 2 cianonaftalene, molecole a due anelli con 11 atomi di carbonio, sette idrogeni e un atomo di azoto. La concentrazione è abbastanza diffusa, afferma McGuire: "Se riempissi l'interno della tua auto compatta media con [gas da] TMC-1, avresti meno di 10 molecole di ogni PAH che abbiamo rilevato".

Ma è stato molto di più di quanto la squadra si aspettasse. Il cloud contiene da 100.000 a un milione di volte più IPA di quanto previsto dai modelli teorici. "È folle, è davvero troppo", dice McGuire.

Ci sono due modi in cui si pensa che gli IPA si formino nello spazio: dalle ceneri di stelle morte o da reazioni chimiche dirette nello spazio interstellare. Dal momento che TMC-1 sta appena iniziando a formare stelle, McGuire si aspettava che tutti gli IPA in esso contenuti avrebbero dovuto essere prodotti da reazioni chimiche dirette nello spazio. Ma quello scenario non può spiegare tutte le molecole di PAH che il team ha trovato. C'è troppo da spiegare facilmente anche con la cenere stellare. Ciò significa che probabilmente manca qualcosa nelle teorie degli astrochimici su come gli IPA possono formarsi nello spazio.

"Stiamo lavorando in un territorio inesplorato qui", dice, "il che è eccitante".

Identificare gli IPA nello spazio è "una cosa importante", afferma l'astrochimica Alessandra Ricca del SETI Institute di Mountain View, in California, che non è stata coinvolta nel nuovo studio. Il lavoro "è il primo che ha dimostrato che queste molecole di PAH esistono effettivamente nello spazio", afferma. "Prima era solo un'ipotesi".

Il gruppo di Ricca sta lavorando su un database di segnali PAH a infrarossi che il James Webb Space Telescope, il cui lancio è previsto per ottobre, può essere ricercato. "Tutto questo sarà molto utile per JWST e la ricerca sul carbonio nell'universo", afferma.

Domande o commenti su questo articolo? Inviaci un'e-mail a [email protected]s.org

Nota dell'editore:

Questa storia è stata aggiornata il 31 marzo 2021 per correggere la formula chimica del cianonaftalene. Ha 11 atomi di carbonio, sette idrogeni e un atomo di azoto, non 10 atomi di carbonio, otto idrogeni e un atomo di azoto.

Una versione di questo articolo appare nel numero del 24 aprile 2021 di Notizie scientifiche.

Citazioni

A proposito di Lisa Grossman

Lisa Grossman è la scrittrice di astronomia. Ha una laurea in astronomia presso la Cornell University e un certificato di laurea in scrittura scientifica presso la University of California, Santa Cruz. Vive vicino a Boston.


Mentre l'idrogeno e l'elio costituiscono la maggior parte dei gas nello spazio interstellare, esistono anche minuscole tracce di altri elementi come carbonio, ossigeno e ferro. Gli scienziati che studiano lo spazio interstellare usano gli spettrometri per identificare tracce di altre molecole tra le stelle. Ad esempio, nel 2012, la NASA ha rilevato due nuovi tipi di molecole in una regione dello spazio a circa 400 anni luce dalla Terra. Troverai grandi quantità di gas complessi come metano e ammoniaca su pianeti gassosi come Giove e Saturno.

L'atmosfera terrestre svanisce lentamente mentre ti alzi verso il cielo. Tuttavia, anche ad altitudini in cui orbitano lontani satelliti, esistono tracce dell'atmosfera. Questa regione, chiamata esosfera, è lo strato più alto della Terra che si estende fino a un'altitudine di 10.000 chilometri, o 6.200 miglia. L'idrogeno e l'elio costituiscono la maggior parte del gas nell'esosfera, quei gas esistono solo in piccole quantità. Più vicino al pianeta dove viaggia la Stazione Spaziale Internazionale troverai la termosfera. Sorge ad un'altitudine di 640 chilometri, 400 miglia, sopra la Terra.


Trovato nello spazio: molecole complesse a base di carbonio

La Taurus Molecular Cloud, che contiene il freddo nucleo senza stelle TMC-1, è una striscia scura nel cielo vicino all'ammasso delle Pleiadi visto da Charlottesville, in Virginia. Credito: Brett A. McGuire, Copyright 2018

Si ritiene che gran parte del carbonio nello spazio esista sotto forma di grandi molecole chiamate idrocarburi policiclici aromatici (IPA). Dagli anni '80, prove circostanziali hanno indicato che queste molecole sono abbondanti nello spazio, ma non sono state osservate direttamente.

Ora, un team di ricercatori guidato dall'assistente professore del MIT Brett McGuire ha identificato due IPA distintivi in ​​una zona di spazio chiamata Taurus Molecular Cloud (TMC-1). Si credeva che gli IPA si formassero in modo efficiente solo ad alte temperature: sulla Terra, si presentano come sottoprodotti della combustione di combustibili fossili e si trovano anche nei segni di carbone sul cibo grigliato. Ma la nube interstellare in cui il team di ricerca li ha osservati non ha ancora iniziato a formare stelle e la temperatura è di circa 10 gradi sopra lo zero assoluto.

Questa scoperta suggerisce che queste molecole possono formarsi a temperature molto più basse del previsto e potrebbe portare gli scienziati a ripensare alle loro ipotesi sul ruolo della chimica degli IPA nella formazione di stelle e pianeti, affermano i ricercatori.

"Ciò che rende il rilevamento così importante è che non solo abbiamo confermato un'ipotesi che è stata elaborata da 30 anni, ma ora possiamo guardare tutte le altre molecole in questa fonte e chiederci come stanno reagendo per formare gli IPA stiamo vedendo, come gli IPA che vediamo possono reagire con altre cose per formare possibilmente molecole più grandi e quali implicazioni potrebbero avere per la nostra comprensione del ruolo di molecole di carbonio molto grandi nella formazione di pianeti e stelle", afferma McGuire, che è un autore senior del nuovo studio.

Michael McCarthy, direttore associato dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, è un altro autore senior dello studio, che appare oggi in Scienza. Il team di ricerca comprende anche scienziati di diverse altre istituzioni, tra cui l'Università della Virginia, il National Radio Astronomy Observatory e il Goddard Space Flight Center della NASA.

A partire dagli anni '80, gli astronomi hanno utilizzato i telescopi per rilevare segnali infrarossi che suggerivano la presenza di molecole aromatiche, che sono molecole che tipicamente includono uno o più anelli di carbonio. Si ritiene che circa il 10-25 percento del carbonio nello spazio si trovi negli IPA, che contengono almeno due anelli di carbonio, ma i segnali a infrarossi non erano abbastanza distinti da identificare molecole specifiche.

"Ciò significa che non possiamo scavare nei meccanismi chimici dettagliati di come si formano, come reagiscono tra loro o con altre molecole, come vengono distrutte e l'intero ciclo del carbonio durante il processo di formazione di stelle e pianeti. e alla fine la vita", dice McGuire.

Sebbene la radioastronomia sia stata un cavallo di battaglia della scoperta molecolare nello spazio sin dagli anni '60, i radiotelescopi abbastanza potenti da rilevare queste grandi molecole sono in circolazione da poco più di un decennio. Questi telescopi possono rilevare gli spettri rotazionali delle molecole, che sono modelli distintivi di luce che le molecole emettono mentre rotolano nello spazio. I ricercatori possono quindi cercare di abbinare i modelli osservati nello spazio con i modelli che hanno visto da quelle stesse molecole nei laboratori sulla Terra.

Il telescopio Green Bank di 100 m situato a Green Bank, WV. Credito: Brett A. McGuire, Copyright 2018

"Una volta che hai quella corrispondenza del modello, sai che non esiste un'altra molecola esistente che potrebbe emettere quello spettro esatto. E l'intensità delle linee e la forza relativa dei diversi pezzi del modello ti dice qualcosa su quanto della molecola che c'è e quanto è calda o fredda la molecola", afferma McGuire.

McGuire e i suoi colleghi hanno studiato TMC-1 per diversi anni perché precedenti osservazioni hanno rivelato che è ricco di complesse molecole di carbonio. Alcuni anni fa, un membro del team di ricerca ha osservato indizi secondo cui la nube contiene benzonitrile, un anello a sei atomi di carbonio attaccato a un gruppo nitrile (carbonio-azoto).

I ricercatori hanno quindi utilizzato il Green Bank Telescope, il radiotelescopio orientabile più grande del mondo, per confermare la presenza di benzonitrile. Nei loro dati, hanno anche trovato le firme di altre due molecole: gli IPA riportati in questo studio. Queste molecole, chiamate 1-cianonaftalene e 2-cianonaftalene, sono costituite da due anelli benzenici fusi insieme, con un gruppo nitrilico attaccato a un anello.

"Rilevare queste molecole è un grande passo avanti nell'astrochimica. Stiamo iniziando a collegare i punti tra piccole molecole, come il benzonitrile, che si sa che esistono nello spazio, agli IPA monolitici che sono così importanti in astrofisica", afferma Kelvin Lee. , un postdoc del MIT che è uno degli autori dello studio.

Trovare queste molecole nel TMC-1 freddo e senza stelle suggerisce che gli IPA non sono solo i sottoprodotti delle stelle morenti, ma possono essere assemblati da molecole più piccole.

"Nel luogo in cui li abbiamo trovati, non c'è nessuna stella, quindi o vengono costruiti sul posto o sono gli avanzi di una stella morta", dice McGuire. "Pensiamo che sia probabilmente una combinazione dei due: l'evidenza suggerisce che non è né un percorso né l'altro esclusivamente. Questo è nuovo e interessante perché non c'era davvero alcuna prova osservativa per questo percorso dal basso verso l'alto prima".

In una serie di nove articoli, gli scienziati del progetto GOTHAM - Green Bank Telescope Observations of TMC-1: Hunting Aromatic Molecules - hanno descritto il rilevamento di più di una dozzina di idrocarburi policiclici aromatici nella Taurus Molecular Cloud, o TMC-1. Queste molecole complesse, mai rilevate prima nel mezzo interstellare, stanno permettendo agli scienziati di comprendere meglio la formazione di stelle, pianeti e altri corpi nello spazio. Nella concezione di questo artista, alcune delle molecole rilevate includono, da sinistra a destra: 1-cianonaftalene, 1-ciano-ciclopentadiene, HC11N, 2-cianonaftalene, vinilcianoacetilene, 2-ciano-ciclopentadiene, benzonitrile, trans-(E)-cianovinilacetilene , HC4NC e propargilcianuro, tra gli altri. Credito: M. Weiss / Centro di astrofisica | Harvard e Smithsonian

Il carbonio svolge un ruolo fondamentale nella formazione dei pianeti, quindi il suggerimento che gli IPA potrebbero essere presenti anche in regioni dello spazio fredde e prive di stelle, potrebbe spingere gli scienziati a ripensare alle loro teorie su quali sostanze chimiche sono disponibili durante la formazione dei pianeti, afferma McGuire. Quando gli IPA reagiscono con altre molecole, possono iniziare a formare grani di polvere interstellare, che sono i semi di asteroidi e pianeti.

"Dobbiamo ripensare completamente i nostri modelli di come la chimica si sta evolvendo, a partire da questi nuclei senza stelle, per includere il fatto che stanno formando queste grandi molecole aromatiche", afferma.

McGuire e i suoi colleghi hanno ora in programma di indagare ulteriormente su come si sono formati questi IPA e che tipo di reazioni possono subire nello spazio. Hanno anche in programma di continuare a scansionare TMC-1 con il potente Green Bank Telescope. Una volta ottenute queste osservazioni dalla nuvola interstellare, i ricercatori possono provare a far combaciare le firme che trovano con i dati che generano sulla Terra mettendo due molecole in un reattore e facendole esplodere con kilovolt di elettricità, rompendole in bit e lasciandole ricombinare. Ciò potrebbe risultare in centinaia di molecole diverse, molte delle quali non sono mai state viste sulla Terra.

"Dobbiamo continuare a vedere quali molecole sono presenti in questa fonte interstellare, perché più conosciamo l'inventario, più possiamo iniziare a provare a collegare i pezzi di questa rete di reazione", afferma McGuire.

Ci Xue et al. Rilevamento di HC4NC interstellare e indagine sulla chimica degli isocianopoliina in condizioni TMC-1, Il Giornale Astrofisico (2020). iopscience.iop.org/article/10. &hellip 847/2041-8213/aba631

Brett A. McGuire et al. Early Science da GOTHAM: panoramica del progetto, metodi e rilevamento del cianuro di propargil interstellare (HCCCH2CN) in TMC-1, Il Giornale Astrofisico (2020). iopscience.iop.org/article/10. &hellip 847/2041-8213/aba632

Andrew M. Burkhardt et al. Chimica aromatica onnipresente del carbonio nelle prime fasi della formazione stellare, Astronomia della natura (2021). DOI: 10.1038/s41550-020-01253-4

Michael C. McCarthy et al. Rilevamento interstellare del cianociclopentadiene ad anello a cinque membri altamente polare, Astronomia della natura (2020). DOI: 10.1038/s41550-020-01213-y


‘Ultimate’ Molecole prebiotiche trovate nello spazio interstellare

Gli elementi costitutivi della vita potrebbero avere le loro origini nei minuscoli granelli ghiacciati che compongono il gas e la polvere che si trovano tra le stelle, e quei granelli ghiacciati potrebbero essere la chiave per comprendere come può nascere la vita sui pianeti. Con l'aiuto degli studenti, i ricercatori hanno scoperto un'importante coppia di molecole prebiotiche nelle particelle ghiacciate nello spazio interstellare. Le sostanze chimiche, trovate in una gigantesca nube di gas a circa 25.000 anni luce dalla Terra, potrebbero essere un precursore di un componente chiave del DNA e un altro potrebbe avere un ruolo nella formazione di un importante amminoacido.

"Abbiamo trovato l'ultimo prebiotico delle molecole prebiotiche", ha affermato Anthony Remijan, del National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Utilizzando il Green Bank Telescope (GBT) in West Virginia, i ricercatori hanno trovato una molecola chiamata cianometanimina, che produce adenina, una delle quattro basi azotate che formano i "pioli" nella struttura a scala del DNA. Si pensa che l'altra molecola, chiamata etanammina, svolga un ruolo nella formazione dell'alanina, uno dei venti amminoacidi del codice genetico.

In precedenza, gli scienziati pensavano che tali processi avvenissero nel gas molto tenue tra le stelle. Le nuove scoperte, tuttavia, suggeriscono che le sequenze di formazione chimica di queste molecole non si sono verificate nel gas, ma sulle superfici dei grani di ghiaccio nello spazio interstellare.

"Trovare queste molecole in una nuvola di gas interstellare significa che importanti elementi costitutivi per il DNA e gli amminoacidi possono "seminare" pianeti di nuova formazione con i precursori chimici per la vita", ha affermato Remijan.

In ogni caso, le molecole interstellari appena scoperte sono fasi intermedie di processi chimici a più fasi che portano alla molecola biologica finale. I dettagli dei processi rimangono poco chiari, ma le scoperte forniscono nuove informazioni su dove si verificano questi processi.

"Dobbiamo fare ulteriori esperimenti per capire meglio come funzionano queste reazioni, ma potrebbe essere che alcuni dei primi passi chiave verso le sostanze chimiche biologiche si siano verificati su minuscoli granelli di ghiaccio", ha detto Remijan.

Le scoperte sono state rese possibili da una nuova tecnologia che accelera il processo di identificazione delle "impronte digitali" delle sostanze chimiche cosmiche. Ogni molecola ha un insieme specifico di stati rotazionali che può assumere. Quando cambia da uno stato all'altro, viene emessa o assorbita una quantità specifica di energia, spesso sotto forma di onde radio a frequenze specifiche che possono essere osservate con il GBT.

Nuove tecniche di laboratorio hanno permesso agli astrochimici di misurare i modelli caratteristici di tali radiofrequenze per molecole specifiche. Armati di queste informazioni, possono quindi abbinare quel modello ai dati ricevuti dal telescopio. I laboratori dell'Università della Virginia e dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics hanno misurato l'emissione radio da cianometanimina ed etanammina, e i modelli di frequenza di tali molecole sono stati poi abbinati ai dati pubblicamente disponibili prodotti da un sondaggio condotto con il GBT dal 2008 al 2011.

Un team di studenti universitari che partecipa a un programma di ricerca estivo speciale per studenti di minoranze presso l'Università della Virginia (U.Va.) ha condotto alcuni degli esperimenti che hanno portato alla scoperta della cianometanimina.

"Questa è una scoperta piuttosto speciale e dimostra che gli studenti all'inizio della carriera possono fare ricerche straordinarie", ha detto Books Pate, un professore della U. Va che ha fatto da mentore agli studenti.


Tornare a Venere?

In questo momento, Venere ha solo un compagno di navicelle spaziali, Orbiter Akatsuki del Giappone Japan. L'Akatsuki è stata lanciata nel 2010 e, mentre ha fallito il suo primo tentativo di orbita attorno a Venere nello stesso anno, è riuscito a un secondo tentativo nel 2015. La navicella spaziale ha trascorso il suo mandato studiando il tempo su Venere e cercando lampi di fulmini e tutto da una cassaforte orbita, ovviamente.

La NASA, tuttavia, non ha avuto una missione dedicata a Venere da quando la sonda Magellan ha orbitato dal 1990 al 1994. Ma la nuova ricerca potrebbe spingere la NASA a porre fine a quella siccità. "È ora di dare la priorità a Venere", l'amministratore della NASA Jim Bridenstine ha scritto in un tweet lunedì sul rilevamento della fosfina, che ha definito "lo sviluppo più significativo finora nella costruzione del caso per la vita al di fuori della Terra".

La NASA sta valutando due proposte mirate a Venere nel suo attuale ciclo di cosiddetti progetti Discovery, la stessa classe di missioni che include il Lunar Reconnaissance Orbiter, il lander geofisico InSight su Marte e le prossime missioni di asteroidi Lucy e Psyche.

Anche altre agenzie spaziali stanno valutando una visita. L'agenzia spaziale indiana sta valutando una missione chiamata Shukrayaan-1, un orbiter che si lancerà nel 2023 e studierà la superficie di Venere. La Russia sta considerando una versione più robusta dei suoi lander dell'era sovietica, una missione di superficie più longeva. L'Agenzia spaziale europea (ESA) sta valutando una proposta per una missione chiamata EnVision, un orbiter geologico che verrà lanciato nel 2032 e potrebbe fornire agli scienziati spiegazioni alternative per il rilevamento della fosfina, ad esempio determinando se il pianeta ospita vulcani attivi che potrebbero essere producendo il gas.

Gli scienziati dicono che il l'ingegneria è pronta per tali missioni, e molto tempo fa abbiamo raggiunto il punto in cui avevamo macchinari che valeva la pena inviare. "È così frustrante che abbiamo la tecnologia e abbiamo avuto gran parte di questa tecnologia per così tanto tempo e siamo solo pronti a portarla su Venere ora", Darby Dyar, scienziato planetario presso il Planetary Science Institute e vice preside investigatore sulla seconda proposta di missione che la NASA sta attualmente considerando, ha detto a Space.com. "Venus offre un buffet di missioni davvero interessanti che puoi fare."

Ce ne sono molti altri Concetti della missione di Venere là fuori che non sono formalmente in fase di revisione dell'agenzia, che vanno dai modesti sforzi alla categoria di progetti più ambiziosi (e più costosi) della NASA, sulla scala dei sofisticati rover su Marte dell'agenzia Curiosity and Perseverance.

Ma avremo bisogno di diversi veicoli spaziali per capire davvero la storia di Venere. "Non c'è una sola missione", ha detto Limaye. "È una raccolta di missioni perché ci sono così tante diverse indagini che non una singola missione può affrontare tutte le domande e sarà una lotta per decidere quali missioni dovrebbero essere volate per prime".

(Gli scienziati di Venere, anche quelli che propongono missioni specifiche, sottolineano regolarmente che poiché Venere è così poco studiata, qualsiasi missione per andare lì sarebbe un miglioramento rispetto allo status quo.)

Nel contesto del rilevamento della fosfina annunciato questa settimana, ci sono due modi in cui le future missioni potrebbero basarsi sulla nuova ricerca. Entrambi i veicoli spaziali potrebbero confermare il rilevamento stesso, oppure potrebbero sviluppare la nostra più ampia comprensione di Venere, aiutando gli scienziati a interpretare il rilevamento.


Gli algoritmi astronomici di mappatura del cielo incontrano la patologia per identificare i biomarcatori predittivi per l'immunoterapia del cancro

La piattaforma AstroPath consente di valutare il livello di espressione di un determinato marker su singole cellule, mantenendo le informazioni sulla loro posizione spaziale. Qui è mostrata una sezione del tessuto del melanoma. L'espressione di PD-L1 è mostrata in rosso e PD-1 in blu. L'altezza dei picchi rappresenta i livelli di espressione. Credito: Seyoun Park, Ph.D.

Accoppiando algoritmi di mappatura del cielo con l'imaging avanzato di immunofluorescenza di biopsie tumorali, i ricercatori del Mark Foundation Center for Advanced Genomics and Imaging della Johns Hopkins University e del Bloomberg

Il Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy ha sviluppato una solida piattaforma per guidare l'immunoterapia prevedendo quali tumori risponderanno a terapie specifiche mirate al sistema immunitario.

Una nuova piattaforma, chiamata AstroPath, unisce l'analisi delle immagini astronomiche e la mappatura con campioni di patologie per analizzare le immagini microscopiche dei tumori.

L'imaging immunofluorescente, utilizzando anticorpi con tag fluorescenti, consente ai ricercatori di visualizzare più proteine ​​cellulari contemporaneamente e determinarne il modello e la forza di espressione. Applicando AstroPath, i ricercatori hanno studiato il melanoma, un tipo aggressivo di cancro della pelle. Hanno caratterizzato il microambiente immunitario nelle biopsie di melanoma esaminando le cellule immunitarie all'interno e intorno alle cellule tumorali all'interno della massa tumorale e quindi hanno identificato un biomarcatore composito che include sei marcatori ed è altamente predittivo della risposta a un tipo specifico di immunoterapia chiamato anti-PD -1 terapia.

PD-1 (morte cellulare programmata 1) è una proteina presente nelle cellule T del sistema immunitario che, quando è legata a un'altra proteina chiamata PD-L1 (ligando della morte programmata), aiuta le cellule tumorali a eludere l'attacco del sistema immunitario. I farmaci anti-PD-1 bloccano la proteina PD-1 e possono aiutare il sistema immunitario a vedere e uccidere le cellule tumorali. Solo alcuni pazienti con melanoma rispondono alla terapia anti-PD-1 e la capacità di prevedere la risposta o la resistenza è fondamentale per scegliere i migliori trattamenti per il cancro di ogni paziente, spiegano i ricercatori. La piattaforma AstroPath viene anche applicata allo studio del cancro del polmone e potenzialmente può fornire una guida terapeutica per molti altri tipi di cancro. Il team di ricerca è stato guidato da Janis Taube, M.D., M.Sc., professore di dermatologia e condirettore del Tumor Microenvironment Laboratory presso il Bloomberg

Kimmel Institute e Alexander Szalay, Ph.D., direttore dell'Institute for Data Intensive Engineering and Science (IDIES) presso la Johns Hopkins University.

"Questa piattaforma ha il potenziale per trasformare il modo in cui gli oncologi forniranno l'immunoterapia contro il cancro", afferma Drew Pardoll, M.D., Ph.D., direttore del Bloomberg

Istituto Kimmel per l'immunoterapia del cancro. “Negli ultimi 40 anni, l'analisi patologica del cancro ha esaminato un marker alla volta, fornendo informazioni limitate. Sfruttando la nuova tecnologia, inclusa la strumentazione per visualizzare fino a 12 marcatori contemporaneamente, gli algoritmi di imaging AstroPath forniscono 1.000 volte il contenuto di informazioni da una singola biopsia rispetto a quello attualmente disponibile attraverso la patologia di routine. Ciò facilita l'immunoterapia del cancro di precisione, identificando le caratteristiche uniche del cancro di ciascun paziente per prevedere chi risponderà a una determinata immunoterapia, come l'anti-PD-1, e chi no. In tal modo, fa avanzare anche la patologia diagnostica dai test uniparametrici a quelli multiparametrici

La ricerca sarà pubblicata l'11 giugno 2021 sulla rivista Scienza.

Le fondamenta della piattaforma AstroPath sono le tecniche di analisi delle immagini che hanno creato il database per lo Sloan Digital Sky Survey, una grande mappa digitale dell'universo progettata dall'astrofisico Szalay, il Distinguished Professor of Physics and Astronomy and Computer Science della Johns Hopkins University Bloomberg. L'indagine del cielo ha "cucito" milioni di immagini telescopiche di miliardi di oggetti celesti, ognuna delle quali esprime segni distinti, proprio come le diverse etichette fluorescenti sugli anticorpi utilizzati per colorare le biopsie tumorali. Utilizzando un grande computer dedicato per elaborare trilioni di pixel di dati di imaging, le posizioni e le caratteristiche di questi oggetti vengono archiviate in un grande database aperto. Questo database viene utilizzato per quantificare le proprietà spettrali e la disposizione spaziale di stelle, quasar, nebulose e galassie nell'universo.

Proprio come lo Sloan Survey mappa il cosmo su scala astronomica, Taube, direttore di dermatopatologia presso il Dipartimento di Dermatologia presso la Johns Hopkins University School of Medicine, lavora con Szalay per mappare le cellule tumorali e immunitarie su scala microscopica.

AstroPath utilizza la tecnologia di immunofluorescenza multiplex (mIF) di Akoya Biosciences - che etichetta ogni proteina di interesse con molecole fluorescenti di diversi colori - per quantificare le numerose caratteristiche cellulari e molecolari del microambiente tumorale (TME). Gli algoritmi di mappatura degli oggetti celesti di AstroPath analizzano gli enormi set di dati di milioni di cellule prodotte dall'imaging mIF e “cucire” insieme più campi di immagini fluorescenti.” Questo crea una mappa visiva bidimensionale e multicolore della TME attraverso un'intera sezione di tessuto montata su un vetrino microscopico con risoluzione di una singola cellula e consente ai ricercatori di avere una visione dettagliata di come e dove le cellule tumorali interagiscono con i tessuti circostanti, compreso il sistema immunitario. Consente di ingrandire e rimpicciolire per vedere le caratteristiche spaziali delle singole celle, nonché le combinazioni di espressione di diversi marcatori da parte delle singole cellule e, infine, l'intensità di espressione di tali marcatori.

"Le disposizioni spaziali dei diversi tipi di cellule all'interno dei tumori sono importanti", afferma Taube. “Le cellule si scambiano segnali go/no-go basati su contatti diretti e fattori secreti localmente. Quantificare le vicinanze tra cellule che esprimono proteine ​​specifiche ha il potenziale per rivelare se queste interazioni geografiche sono probabilmente traspiranti e quali interazioni possono essere responsabili dell'inibizione delle cellule immunitarie dall'uccidere il tumore.”

“In astronomia ci chiediamo spesso: ‘Qual è la probabilità che le galassie siano vicine l'una all'altra?'”, dice Szalay. “Applichiamo lo stesso approccio al cancro, osservando le relazioni spaziali nel microambiente tumorale. È lo stesso problema su una scala molto diversa

Nello studio attuale, i ricercatori hanno utilizzato la piattaforma AstroPath per caratterizzare l'espressione di PD-1 e PD-L1 su cellule tumorali e cellule immunitarie in campioni tumorali di pazienti con melanoma avanzato che successivamente hanno ricevuto immunoterapia anti-PD-1. Hanno anche visualizzato tre proteine ​​aggiuntive espresse da diversi tipi di cellule immunitarie - CD8, CD163 e FOXP3 - e infine un marker per le stesse cellule tumorali, Sox10/S100.

Il team ha scoperto che un particolare modello e intensità di espressione di questi marcatori su cellule specifiche nel tumore potrebbe prevedere con forza quali pazienti risponderebbero e sopravvivrebbero dopo la terapia anti-PD-1.

“I big data stanno cambiando la scienza. Ci sono applicazioni ovunque, dall'astronomia alla genomica all'oceanografia,' dice Szalay. “La scoperta scientifica ad alta intensità di dati è un nuovo paradigma. La sfida tecnica che affrontiamo è come ottenere risultati coerenti e riproducibili quando si raccolgono dati su larga scala? AstroPath è un passo verso la creazione di uno standard universale. ”

“Ci sono i prossimi passi importanti. Abbiamo bisogno di studi multi-istituzionali che dimostrino che questi test possono essere standardizzati, seguiti da uno studio clinico prospettico che porti il ​​potenziale diagnostico di nuova generazione di AstroPath alla cura del paziente,' afferma Taube. Oltre a sviluppare una nuova diagnostica complementare, l'obiettivo a lungo termine del team include la creazione di un atlante open source di mappe immunitarie dei tumori, simile all'Atlante del genoma del cancro del National Cancer Institute.

“The application of advanced mapping techniques from astronomy has the potential to identify predictive biomarkers that will help physicians design precise immunotherapy treatments for individual cancer patients,” says Michele Cleary, Chief Executive Officer, The Mark Foundation for Cancer Research. “These early results are exciting and validate the approach, and we at The Mark Foundation for Cancer Research are proud to support such pathbreaking science.”

Reference: “Analysis of multispectral imaging with the AstroPath platform informs efficacy of PD-1 blockade” by Sneha Berry, Nicolas A. Giraldo, Benjamin F. Green, Tricia R. Cottrell,§, Julie E. Stein, Elizabeth L. Engle, Haiying Xu, Aleksandra Ogurtsova, Charles Roberts, Daphne Wang, Peter Nguyen, Qingfeng Zhu, Sigfredo Soto-Diaz, Jose Loyola, Inbal B. Sander, Pok Fai Wong, Shlomit Jessel, Joshua Doyle, Danielle Signer, Richard Wilton, Jeffrey S. Roskes, Margaret Eminizer, Seyoun Park, Joel C. Sunshine, Elizabeth M. Jaffee, Alexander Baras, Angelo M. De Marzo, Suzanne L. Topalian, Harriet Kluger, Leslie Cope, Evan J. Lipson, Ludmila Danilova, Robert A. Anders, David L. Rimm, Drew M. Pardoll, Alexander S. Szalay and Janis M. Taube, 11 June 2021, Scienza.
DOI: 10.1126/science.aba2609

Others participating in the research include Sneha Berry, Benjamin F. Green, Elizabeth Engle, Haiying Xu, Aleksandra Ogurtsova, Seyoun Park, Elizabeth M. Jaffee, Leslie Cope, Evan J. Lipson, Ludmila Danilova, Robert A. Anders and Drew M. Pardoll of the Bloomberg

Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy and the Mark Center for Advanced Genomics and Imaging at Johns Hopkins University Nicolas A. Giraldo, Tricia R. Cottrell, Julie E. Stein, Qingfeng Zhu, Alexander Baras, Angelo DeMarzo, Peter Nguyen, Charles Roberts, Daphne Wang, Sigfredo Soto-Diaz, Jose Loyola, Inbal B. Sander, Danielle Signer, Joel C. Sunshine and Suzanne L. Topalian, of the Kimmel Cancer Center and Bloomberg

Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy, Johns Hopkins University School of Medicine Joshua Doyle, Richard Wilton, Jeffrey S. Roskes and Margaret Eminizer of the Institute for Data Intensive Engineering and Science at Johns Hopkins University and Pok Fai Wong, Shlomit Jessel, Harriet Kluger and David Rimm of the Yale School of Medicine.

The research was supported by funding from The Mark Foundation for Cancer Research the Bloomberg

Kimmel Institute for Cancer Immunotherapy, the Melanoma Research Alliance the Harry J. Lloyd Charitable Trust the Emerson Collective Moving for Melanoma of Delaware the Barney Family Foundation the Laverna Hahn Charitable Trust Bristol Myers Squibb Sidney Kimmel Cancer Center Core Grant P30 CA006973 National Cancer Institute R01 CA142779 National Institutes of Health T32 CA193145 and P50 CA062924.

Funding and materials for the study described in press release were partially provided by Bristol Myers Squibb. Equipment and reagents for the study described in this press release were partially provided by Akoya Biosciences. Dott. Janis Taube and Evan Lipson are consultants and advisory board members for Bristol Myers Squibb. Dr. Robert Anders is a consultant to Bristol Myers Squibb. Dott. Taube and Alexander Szalay are consultants to Akoya Biosciences. Dott. Taube and Szalay also serve on the advisory board of Akoya Biosciences and hold stock in Akoya Biosciences. There is a patent pending related to image processing of mIF/IHC images. These arrangements has been reviewed and approved by the Johns Hopkins University in accordance with its conflict of interest policies.

Additional funders: Laverna Hahn Charitable Trust Bristol Myers Squibb Sidney Kimmel Cancer Center National Cancer Institute National Institutes of Health


Technology to detect chemicals in fruit and vegetables

Credit: Dmitry Lisovsky

An ITMO Ph.D. student with her colleagues from Russia, Spain and Singapore has developed flexible sensing films based on silver nanoparticles that can be used to identify the presence of pesticide residue on the surface of agricultural produce in minutes. The research results were published in Nanoscale.

In order to create these sensors, scientists from ITMO, the Ioffe Institute, National University of Singapore and University of Rovira i Virgili combined melamine and a small amount of silver nitrate in a Petri dish with a small layer of agar gel. Silver nitrate is well-known in the medical field as an antibacterial agent and is used in photographic engineering as a component of developing agents. Even though the substance contains silver, it is relatively cheap and accessible.

Silver nitrate's reaction with the other components results in the formation of white crystal precipitation. When the Petri dish is exposed to light, the crystals decompose, forming silver nanoparticles, and the chemical reaction is complete. The resulting material is dried carefully, as at this stage, it's very easy to damage. Drying results in lightweight and flexible films, and the entire process takes about a day.

The film's operating principle is simple. A piece of it is applied to a fruit and wetted with alcohol in order to gather pesticide molecules on the film's surface and is then put into a spectrometer. The change in the optical response, the form and character of spectra in the graphs, indicates whether there is pesticide on the product surface or not.


Spectroscopy

Spectroscopy is the study of the absorption and emission of light and other radiation by matter. It involves the splitting of light (or more precisely electromagnetic radiation) into its constituent wavelengths (a spectrum), which is done in much the same way as a prism splits light into a rainbow of colours. In fact, old style spectroscopy was carried out using a prism and photographic plates.

Modern spectroscopy uses diffraction grating to disperse light, which is then projected onto CCDs (charge-coupled devices), similar to those used in digital cameras. The 2D spectra are easily extracted from this digital format and manipulated to produce 1D spectra that contain an impressive amount of useful data.

Recently, the definition of spectroscopy has been expanded to also include the study of the interactions between particles such as electrons, protons, and ions, as well as their interaction with other particles as a function of their collision energy.

How spectroscopy is used

Far from being a specialised, unique field, spectroscopy is integral to a variety of disciplines. While it provided a theoretical backing to early quantum research in radiation and atomic structure, it also has a staggering number of other applied uses magnetic resonance imaging (MRI) and X-ray machines utilise a form of radio-frequency spectroscopy, we measure the unique makeup and physical properties of distant astral bodies through their spectra and wavelength, and it’s even used to test doping in sports.

The different types of spectroscopy are distinguished by the type of radiative energy involved in the interaction. In many applications, the spectrum is determined by measuring changes in the intensity or frequency of this radiative energy. The types of spectroscopy can also be distinguished by the nature of the interaction between the energy and the material. Examples include:

Astronomical spectroscopy

This type of spectroscopy is chiefly concerned with the analysis of objects in space. From simple spectroscopic analysis of an astronomical object, we can measure the spectrum of electromagnetic radiation and determine its wavelength. This can tell us about the object’s chemical composition (as a factor of their spectra and mass), temperature, distance and speed (using a function of their wavelength and the speed of light).

Absorption spectroscopy

Absorption spectroscopy involves the use of spectroscopic techniques that measure the absorption of radiation in matter. We can determine the atomic makeup of a sample by testing for the absorption of specific elements across the electromagnetic spectrum.

Biomedical spectroscopy

Biomedical spectroscopy is a type of spectroscopy that’s used in biomedical science. For example, magnetic resonance spectroscopy (a specialised technique associated with magnetic resonance imaging) is often used to diagnose and study chemical changes in the brain that can cause anything from depression to physical tumours, as well as analyse the metabolic structure of muscle. This works by mapping a spectrum of wavelengths in the brain that correspond to the known spectrum, and carefully analysing patterns and aberrations in those patterns.

Energy-dispersive X-ray spectroscopy

Energy dispersive X-ray spectroscopy (otherwise known as EDS/EDX) is used for the identification and quantification of elements found in a sample. This technique is used by the Phenom ProX Desktop SEM. It can also be used in conjunction with Transmission Electron Microscopy (TEM) and Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) to create spatially-resolved elemental analysis in areas as small as a few nanometres in diameter.


Geology helps astronomers find habitable planets

Astronomers have identified more than 4,000, and counting, confirmed exoplanets -- planets orbiting stars other than the sun -- but only a fraction have the potential to sustain life.

Now, new research from UBC's Okanagan campus is using the geology of early planet formation to help identify those that may be capable of supporting life.

"The discovery of any planet is pretty exciting, but almost everyone wants to know if there are smaller Earth-like planets with iron cores," says Dr. Brendan Dyck, assistant professor of geology in the Irving K. Barber Faculty of Science and lead author on the study.

"We typically hope to find these planets in the so-called 'goldilocks' or habitable zone, where they are the right distance from their stars to support liquid water on their surfaces."

Dr. Dyck says that while locating planets in the habitable zone is a great way to sort through the thousands of candidate planets, it's not quite enough to say whether that planet is truly habitable.

"Just because a rocky planet can have liquid water doesn't mean it does," he explains. "Take a look right in our own solar system. Mars is also within the habitable zone and although it once supported liquid water, it has long since dried up."

That, according to Dr. Dyck, is where geology and the formation of these rocky planets may play a key role in narrowing down the search. His research was recently published in the Lettere per riviste astrofisiche.

"Our findings show that if we know the amount of iron present in a planet's mantle, we can predict how thick its crust will be and, in turn, whether liquid water and an atmosphere may be present," he says. "It's a more precise way of identifying potential new Earth-like worlds than relying on their position in the habitable zone alone."

Dr. Dyck explains that within any given planetary system, the smaller rocky planets all have one thing in common -- they all have the same proportion of iron as the star they orbit. What differentiates them, he says, is how much of that iron is contained in the mantle versus the core.

"As the planet forms, those with a larger core will form thinner crusts, whereas those with smaller cores form thicker iron-rich crusts like Mars."

The thickness of the planetary crust will then dictate whether the planet can support plate tectonics and how much water and atmosphere may be present, key ingredients for life as we know it.

"While a planet's orbit may lie within the habitable zone, its early formation history might ultimately render it inhabitable," says Dr. Dyck. "The good news is that with a foundation in geology, we can work out whether a planet will support surface water before planning future space missions."

Later this year, in a joint project with NASA, the Canadian Space Agency and the European Space Agency, the James Webb Space Telescope (JWST) will launch. Dr. Dyck describes this as the golden opportunity to put his findings to good use.

"One of the goals of the JWST is to investigate the chemical properties of extra-solar planetary systems," says Dr. Dyck. "It will be able to measure the amount of iron present in these alien worlds and give us a good idea of what their surfaces may look like and may even offer a hint as to whether they're home to life."

"We're on the brink of making huge strides in better understanding the countless planets around us and in discovering how unique the Earth may or may not be. It may still be some time before we know whether any of these strange new worlds contain new life or even new civilizations, but it's an exciting time to be part of that exploration."


Guarda il video: La chimica nello spazio dallatomo didrogeno alle molecole prebiotiche (Gennaio 2022).