ReCONNECT National Physics Competition

“Biogalatic Squad” “Extragerea și studierea hemolitinei în medii extraterestre”

Membrii echipei: Costea MaraTeodora Dinu CrinaMaria Ionescu IrisȘtefania

INTRODUCERE ŞI MOTIVAȚIE DE STUDIU S-a descoperit că doi meteoriți compuși din chondrit de carbon, Allende și Acfer-086, conțin o proteină „extraterestră” ce are o structură foarte similară cu structura proteinelor de pe Pământ. În schimb, ceea ce diferă este că are aminoacizi diferiți, evidență pentru care se speculează existența vieții necunoscute din spațiu.

Conform rezultatelor obținute în urma investigațiilor cu spectrometrie de masǎ, proporția de deuteriu și hidrogen este de 26 de ori mai mare decât cea a proteinelor terestre. Hidrogenul, litiul, carbonul și oxigenul sunt elementele predominante ale proteinei și au fost valabile pentru formarea proteinei acum 13 miliarde de ani, când stele imense au ieșit din etapa de sinteză a nucleului, ceea ce înseamnă că descoperirea a fost foarte târzie și că au supraviețuit miliarde de ani.

Hemolitina a fost găsită în meteoritul Acfer 086, un meteorit Allende similar cu cel din imagine.

Structura hemolitinei este unică: legăturile dintre lanțurile polimetrice de glicină s-au combinat cu atomii de fier și oxigen ce rezidă la capătul moleculei.

Cercetătorii speculează că gruparea de oxid de fier formată la capătul moleculei ar putea absorbi fotoni, permițând astfel moleculei să descompună apǎ în hidrogen și oxigen și, ca rezultat, să producă o sursă de energie care ar putea fi utilă pentru dezvoltarea vieții.

Cercetările care au condus la descoperirea Hemolitinei au început în 2007, ca răspuns în descoperirea altei proteine, terestre, una dintre primele care s-au format pe Pământ, ce captura apă (1990).

Această proprietate fiind utilă în chimie înainte ca biochimia să se dezvolte pe Pământ, au fost efectuate calcule teoretice ale entalpiei asupra condensării aminoacizilor în spațiul de fază gazoasă, întrebându-se: "aminoacizii ar putea polimeriza pentru a forma proteine în spațiu?" - au putut, iar apa lor de condensare a contribuit la polimerizarea lor.

Prezența unui aminoacid în nor cosmic poate fi un indicator al polimerizării aminoacizilor în spațiu.

De exemplu, triptofanul este un aminoacid esențial dezvoltării proteinelor. Acesta a fost descoperit in sistemul solar IC 348, aparținând grupării de stele Perseus. Prezența acestuia în nori moleculari interstelari poate reprezenta punctul de start pentru misiunea noastrǎ, fiind primul aminoacid descoperit in spațiu. În apropierea acestuia au fost descoperite molecule asemănătoare Terrei precum cea de apǎ (H20) sau de dioxid de carbon (CO2). Conform Iglesiasei-Groth, autoarea descoperirii, amino acizii sunt prezenți in meteoriți de la începutul Sistemului Solar.

OBIECTIVE ȘTIINȚIFICE După toate aceste descoperiri, cercetarea la nivel global a încetat, iar misiunea noastră este să localizăm această proteină din spațiu, să o extragem și să efectuăm teste pe ea.

Obiective primare: Localizarea proteinei și extragerea ei, aducând-o pe naveta spațială pentru efectuarea testelor.

Obiective secundare: să investigăm cum se comportă proteina în alte medii decât temperaturile extreme și invariabilitatea de condiții din spațiu și să înțelegem mai bine structura (e.g. codonii ce stau la baza aminoacizilor din care este compusă) și manifestarea ei în alte corpuri organice. să aflăm câtă energie poate fi generată după absorbția de fotoni și dacă putem dezvolta o soluție mai sustenabilă pentru procesele terestre ce poluează planeta.

Principii și concepte științifice: Biosinteza proteicǎ este un proces biologic, ce se întâmplă doar în celule, pentru a balansa pierderea proteinelor celulare degradate, prin intermediul formării altor proteine noi.

Cum știm cu toții, formarea proteinelor constǎ în douǎ procese principale: transcripție si translație.

Transcripția este procesul prin care informația genetică din ADN este copiată în ARN mesager (ARNm).

Acest proces are loc în nucleu, unde ADN-ul servește drept șablon pentru sinteza ARNm. Translația este procesul prin care informația genetică conținută în ARNm este utilizată pentru a sintetiza proteine în citoplasmă. Ambele procese necesita energie, furnizorul principal fiind trifosfatul de adenosinǎ, ceea ce ne trezește nouă întrebări la care speram sa răspundem odată ce efectuam testele propuse: Cum de a reușit aceasta proteină să se dezvolte în nori moleculari interstelari independentă de o celulă mamă?

De unde a fost generată energia necesară pentru formarea acestei proteine?

Translația şi transcripția proteinelor în teorie

OBIECTIVE ȘI TEHNICI EXPERIMENTALE Pentru localizarea proteinei în spațiu și extragerea ei, vom planifica o misiune spațială conform metodologiilor precedente. După cum știm, această proteină a fost găsită pe suprafața meteoriților Allende și Acfer-086. În 1986, acest meteorit a aterizat pe suprafața Pământului în Chihuahua, Mexic.

După studii precedente realizate pe acest meteorit, sa descoperit că proveniența meteoritului Allende este din centura de asteroizi situată între orbitele lui Marte și Jupiter. Astfel, suntem siguri de destinația misiunii noastre spațiale.

Vom începe prin a selecta încărcătura navei spațiale și vom calcula traiectoria acesteia. Apoi, vom alege vehiculul de lansare și vom stabili fereastra de lansare, calculând traiectoria către centura de asteroizi. Pentru a ne asigura că totul va decurge bine, vom efectua teste cu proporții de presiune și masă identice cu cele reale. Odată ce suntem siguri că aceste informații sunt corecte, vom putea lansa nava spațială cu certitudinea că totul va decurge conform planului. În spațiu vor pleca echipajul (ales în urma testelor de aptitudini și pregătire corespunzătoare), echipa medicală, hrana necesară pentru misiune și echipamentele corespunzătoare.

Odată ce racheta este în spațiu, vom monitoriza de pe Pământ progresul, fiind pregătiți pentru orice urgență. Sistemele navei spațiale vor fi controlate de către noi, și vom efectua corecții ale traiectoriei, activând instrumentele științifice.

Odată ce echipajul ajunge unde ne-am propus (în apropierea centurii de asteroizi), vom selecta asteroizii țintă, luând bucăți de asteroid care conțin această proteină, folosindu-ne de rovere pe care le vom trimite.

Echipajul va analiza bucățile de asteroid la nivel macromolecular, pentru a ne asigura că avem suficiente dovezi. Datele vor fi transmise înapoi pe Pământ, iar observațiile științifice vor fi finalizate.

Vom planifica traiectoria de întoarcere și vom redirecționa racheta pe Pământ.

Cronologia metodei

Tehnici experimentale Pentru înțelegerea structurii acestei proteine, vom experimenta cu metode de cristalizare. Cristalizarea proteinelor este un proces important în biologie structurală și biochimie, care implică obținerea de cristale ordonate și tridimensionale ale proteinelor. Acestea sunt esențiale pentru studierea structurii folosind tehnici precum cristalografia cu raze X. Pe Pământ, gravitația provoacă curenți de convecție care pot perturba formarea cristalelor de proteine, provocând temperaturi inegale și gradienți de concentrație. În microgravitație, nu există convecție, ceea ce poate permite o creștere mai uniformă a cristalelor de proteine. Așadar, vom folosi cristalizarea micro-gravitațională.

Prin studiul proprietăților acestei proteine, putem găsi diferite aplicații în organismele vii de pe Pământ.

De asemenea, pentru a observa structura proteinei în diferite condiții de mediu, vom folosi spectrometria de masă.

Această metodă se folosește in studierea proteinelor când vine vorba de cantitate, cartografierea interacțiunii și identificarea modificărilor în urma translației.

Cristalizarea Proteinei

DURATA ŞI PLANUL MISIUNII 2025 Lansarea navei spatiale cu echipajul la bord

2026 Parcurgerea traseului până la centura de asteroizi dintre Marte și Jupiter.

Staționarea pentru colectarea probelor cu ajutorul unor rovere

2028

2029

Folosirea metodei de cristalizare microgravitațională

Formularea unor concluzii și întoarcerea echipajului pe Terra

2027 Izolarea proteinei și cercetarea acesteia în mai multe condiții de mediu

2030 Continuarea studiilor în funcție de condițiile de pe Terra și stabilirea rezultatelor studiului

CONDIȚII EXPERIMENTALE ȘI METODOLOGIE Pentru o bună proiectare a experimentelor și pentru a observa comportamentul și caracteristicile proteiniei în diferite condiții de mediu, vom simula următoarele condiții: atmosfera densă de pe Marte, aceasta fiind formată din aproximativ 96% dioxid de carbon, 1.93% argon și 1,89% azot împreună cu urme de oxigen și apă; de asemenea, vom modifica condițiile și în acord cu concentrațiile de pe Jupiter: 75% hidrogen, 24% heliu, urme de metan, vapori de apă, amoniac și compuși pe bază de siliciu accelerația gravitațională pe Marte de 3,71 m/s^2 respectiv 24,79 m/s^2 pe Jupiter temperatura și presiunea corespunzătoare celor de pe Marte (mediu 60 grade Celsius, 0,001 Bari) și Jupiter (67 grade Celsius, 10 Bari) Ulterior, prin spectrometrie de masă, analizăm posibile modificări.

(reprezentarea grafică a spectometriei)

Metodologie 1. Spectrometrie de masă Pentru studierea hemolitinei, vom folosi abordarea spectrometriei de masă de tip-down proteomics, executată de obicei cu metodă MALDI, metodă de ionizare care vine de la denumirea în engleză "Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation", ceea ce în română înseamnă "ionizare prin desorbție laser asistată de o matrice", ce permite ca modele de structură a polimerilor să fie construite de software, adăugate de difracția razelor X asupra cristalelor de polimer.

CONDIȚII EXPERIMENTALE ȘI METODOLOGIE 2.Cristalizare microgravitațională Înainte de cristalizare, proteina trebuie să fie purificată și, eventual, să fie tratată pentru a îmbunătăți solubilitatea și stabilitatea sa. Pentru optimizarea condițiilor de cristalizare, vom adăuga solvenți organici/ săruri. Vom supune proteina purificată unor condiții de cristalizare specifice, care pot varia în funcție de natura proteinelor și de metoda de cristalizare utilizată. Scopul este de a promova formarea nucleelor mici de cristal în soluție.

După formarea nucleelor, cristalele vor crește treptat în dimensiune și se pot optimiza condițiile de cristalizare pentru a obține cristale de dimensiuni și calitate adecvate pentru analiza structurală.

Cristalele obținute sunt apoi analizate utilizând diferite tehnici, în special cristalografia cu raze X. Această tehnică implică expunerea cristalelor la raze X și înregistrarea difracției acestora pentru a determina structura tridimensională a proteinelor.

După obținerea datelor de difracție, acestea sunt analizate și interpretate pentru a determina structura tridimensională a proteinelor și pentru a înțelege funcția lor biologică.

Conform surselor, cristalizarea proteinelor este un proces complex și dificil, iar optimizarea condițiilor de cristalizare poate necesita încercări și erori repetate. De aceea, vom fi precauți, și vom avea cât de multe proteine posibile, valabile pentru analiza.

Cu toate acestea, obținerea de cristale de calitate este esențială pentru obținerea de informații detaliate despre structura și funcția proteinelor, ceea ce poate contribui la dezvoltarea de medicamente și la înțelegerea mai profundă a proceselor biologice fundamentale.

Odată ce efectuăm acest proces, vom ști structura proteinei și o vom putea insera într-un corp organic, pentru a vedea ce impact ar putea avea asupra lui.

STRUCTURA ORGANIZAȚIONALĂ MEDIC SPECIALIST

BIOCHIMIST

ASTROBIOLOG ASTROFIZICIAN

COMANDANTUL

INGINER AEROSPAȚIAL

MICROBIOLOG

PILOT

ASTROFIZICIENII studiază planetele, stelele, nebuloasele, galaxiile, aglomerările de galaxii etc. Ei folosesc telescoape, sensibile la frecvențe ale spectrului electromagnetic care nu sunt vizibile cu ochiul omenesc, precum: microunde, unde radio, raze X și raze gama.

ASTROBIOLOGII studiază posibilitatea vieții dincolo de Pământ. Ei încearcă să înțeleagă modul în care se formează viața și modul în care poate supraviețui un organism viu în diferite tipuri de medii. Aceasta implică de multe ori studiul vieții în condiții extreme chiar aici, pe Pământ. Ei cercetează diferite corpuri cerești pentru a vedea dacă condițiile de pe acestea ar putea susține viața.

GENETICIAN

INGINERII AEROSPAȚIALI concep, dezvoltă, fabrică și testează nave spațiale, sateliți și alte produse aerospațiale. Ei dezvoltă noi tehnologii pentru proiectarea structurală a navei spațiale, pentru ghidare și navigație, control, instrumentație, comunicare, robotică și propulsie a navei spațiale.

PILOTUL manevrează și controlează vehiculul spațial. Este responsabil de sistemele vehiculul, menținerea funcționării sistemelor radio și video, măsurării parametrilor de andocare și lansare.

Rolul GENETICIANULUI într-o misiune spațială este de a studia efectele mediului spațial asupra geneticii și biologiei organismelor, identificând modificările genetice și adaptările care pot apărea în condițiile spațiale și contribuind la înțelegerea impactului călătoriei spațiale asupra sănătății și performanței umane.

Rolul BIOCHIMISTULUI si al MICROBIOLOGULUI este de a analiza interactiunile moleculare si procesele biochimice in mediul extraterestru.

MEDICUL este prezent pentru momentele imprevizibile ce pot afecta sănătatea echipajului.

RISCURI 1.

Eșecul lansării - pierderea întregii misiuni și a investiției financiare asociate. Orice incident în timpul fazei de lansare poate avea consecințe grave asupra misiunii.

2. Daune la echipament in timpul transportului și în spațiu - Echipamentul folosit în misiune poate fi susceptibil la daune în timpul transportului și în timpul operațiunilor în spațiu. Acest lucru poate afecta funcționarea echipamentului și calitatea datelor obținute.

3. Probleme technice sau de operare - Orice defecțiune tehnică sau problemă de operare în timpul misiunii ar putea afecta capacitatea de a efectua extracția și analiza proteinei în mod corespunzător. Este important să se anticipeze și să se gestioneze aceste riscuri prin teste și proceduri de siguranță adecvate.

4. Impactul microgravitației asupra proteinei- Microgravitația și alte condiții spațiale pot afecta comportamentul și structura proteinelor în moduri necunoscute sau imprevizibile.

Este posibil ca aceste efecte să influențeze rezultatele experimentului și să necesite analize și interpretări suplimentare.

5. Pierderea datelor - Probleme legate de stocarea, transferul sau recuperarea datelor obținute în timpul misiunii ar putea duce la pierderea informațiilor cruciale pentru analiza proteinei.

6. Impactul asupra sănătății și a mediului- Folosirea substanțelor chimice sau biologice în spațiu poate avea impact asupra sănătății echipajului și a mediului spațial. Este important să se ia măsuri de precauție pentru a minimiza aceste riscuri și pentru a asigura conformitatea cu reglementările privind protecția mediului.

7.

Finanțare insuficientă sau schimbări politice- Misiunile spațiale sunt costisitoare și pot fi afectate de schimbările în finanțare sau priorități politice. Lipsa de finanțare sau schimbările bruște în politica spațială ar putea duce la anularea sau întârzierea misiunii.

COSTURI Preconizăm un cost de 2,7 bilioane de dolari, având în vedere resursele necesare, dar și aproximările NASA conform cărora, pentru antrenamentul, echipamentul și transportul unui astronaut în spațiu sunt necesare 58 de milioane de dolari pe an.

Dezvoltarea și testarea echipamentului: Dezvoltarea echipamentului necesar pentru extragerea și analiza proteinelor în condiții de microgravitație ar putea necesita resurse semnificative. Acest echipament ar trebui să fie robust și să funcționeze corect în mediul spațial.

Testarea echipamentului în condiții simulare de microgravitație ar putea fi necesară pentru a asigura funcționarea corectă a acestuia în spațiu.

Lansarea și transportul: Costurile de lansare a unei misiuni spațiale pot fi extrem de ridicate, în funcție de greutatea și complexitatea încărcăturii.

Transportul echipamentului și a resurselor necesare la destinația finală ar putea necesita, de asemenea, resurse financiare semnificative.

Operațiuni în spațiu: Costurile asociate cu operațiunile de gestionare a misiunii, inclusiv comunicarea cu echipamentul, monitorizarea și controlul misiunii, ar trebui, de asemenea, luate în considerare. Întreținerea și supravegherea echipamentului în timpul misiunii ar putea necesita resurse umane și tehnice.

Analiza datelor și interpretarea rezultatelor: Analiza datelor obținute în timpul misiunii ar putea implica costuri suplimentare pentru procesarea și interpretarea informațiilor colectate.

Este posibil să fie necesare resurse adiționale pentru compararea datelor obținute în spațiu cu cele obținute în condiții terestre, pentru a evalua efectele microgravitației asupra proteinelor.

Asigurarea calității și siguranța: Asigurarea calității echipamentului și a procedurilor este esențială pentru succesul misiunii.

Acest lucru ar putea implica costuri suplimentare pentru testarea și certificarea echipamentului în conformitate cu standardele spațiale.

Resurse umane și expertiză: Misiunea ar necesita experți în domeniul biologiei și al zborului spațial pentru a concepe, implementa și interpreta rezultatele misiunii.

Costurile asociate cu angajarea și menținerea unui personal specializat ar trebui, de asemenea, luate în considerare.

PARTENERI Pfizer este o corporație farmaceutică americană care produce medicamente și vaccinuri pentru diverse departamente precum: imunologie, cardiologie, oncologie și neurologie Johnson & Johnson este o companie americană farmaceutică care produce aparatură medicală și medicamente Space X sau Space Exploration Technologies Corporation este o companie americană fondată de antreprenorul Elon Musk care se dedică realizării e vehicule pentru transport în spațiul cosmic.

Axiom Space este furnizorul principal de servicii de transport în spațiul cosmic și dezvoltatorul de infrastructuri spațiile destinate oamenilor. Operează misiuni și construiesc costume spațiile de ultimă generație.

Relativity Space este o companie americană de producție aerospațială care dezvoltă tehnologii de producție, vehicule de lansare și motoare de rachete pentru servicii comerciale de lansare orbitală.

NASA sau Administrația Națională Aeronautică și Spațială este o agenție independentă a guvernului Statelor Unite responsabilă cu programul spațial civil, precum și cercetarea aeronautică și aerospațială.

CONCLUZII Misiunea propusă de investigare a proteinei extraterestre și a comportamentului acesteia, în medii extraterestre, cum ar fi atmosfera și condițiile de pe Marte și Jupiter, reprezintă o modalitate de a intelege originile vietii. Cu toate acestea, misiunea nu este lipsita de riscuri si provocari dar, cu o planificare atenta aceste probleme spontane pot și evitate.

Reuşirea acestei misiuni ar putea aduce perspective noii si semnificative asupra originii vieții si poate reprezenta baza pentru noi studii, ce vor lǎmurii curiozitǎțile multiple ale oamenilor asupra acestui subiect.

*Urmǎ toarele imagini sunt realizate manual de către noi* 1.Structura Hemolitinei (prima paginǎ ) 2. Imaginile pentru demostrarea procesului de transcripție şi translație (a doua paginǎ ) 3. Cronologia metodei şi procesul de crizalizare (a treia paginǎ )

VǍ MULȚUMIM!

-Biogalactic Squad