Biologiska datormaskiner, som mikro- och nanoimplantat som kan samla in viktig information inuti människokroppen, förändrar medicinen. Ändå har det visat sig vara utmanande att nätverka dem för kommunikation. Nu har ett globalt team, inklusive EPFL-forskare, utvecklat ett protokoll som möjliggör ett molekylärt nätverk med flera sändare.

Först var det Internet of Things (IoT) och nu, i gränssnittet mellan datavetenskap och biologi, lovar Internet of Bio-Nano Things (IoBNT) att revolutionera medicin och hälsovård. IoBNT hänvisar till biosensorer som samlar in och bearbetar data, Labs-on-a-Chip i nanoskala som kör medicinska tester inuti kroppen, användningen av bakterier för att designa biologiska nanomaskiner som kan upptäcka patogener och nanorobotar som simmar genom blodomloppet för att utföra riktad läkemedelstillförsel och behandling.

"Sammantaget är detta ett väldigt, väldigt spännande forskningsfält", förklarade biträdande professor Haitham Al Hassanieh, chef för Laboratory of Sensing and Networking Systems vid EPFLs School of Computer and Communication Sciences (IC). "Med framsteg inom bioteknik, syntetisk biologi och nanoteknik är tanken att nanobiosensorer kommer att revolutionera medicinen eftersom de kan nå platser och göra saker som nuvarande enheter eller större implantat inte kan," fortsatte han.

Men oavsett hur spännande detta banbrytande forskningsfält är, finns det fortfarande en enorm, grundläggande utmaning - när du har en nanorobot i någons kropp, hur kommer du att kommunicera med den? Traditionella tekniker, som trådlösa radioapparater, fungerar bra för stora implantat som pacemakers eller defibrillatorer men kan inte skalas till mikro- och nanodimensioner, och trådlösa signaler tränger inte igenom kroppsvätskor.

Gå in i det som kallas biomolekylär kommunikation, inspirerad av kroppen själv. Den använder inte elektromagnetiska vågor utan biologiska molekyler både som bärare och som information, som efterliknar de existerande kommunikationsmekanismerna inom biologi. I sin enklaste form kodar den "1"- och "0"-bitar genom att släppa ut eller inte släppa ut molekylära partiklar i blodomloppet – liknande ON-OFF-Keying i trådlösa nätverk.

"Biomolekylär kommunikation har dykt upp som det mest lämpliga paradigmet för nätverkande av nanoimplantat. Det är en otrolig idé att vi kan skicka data genom att koda in den i molekyler som sedan går genom blodomloppet och vi kan kommunicera med dem, vägleda dem vart de ska gå och när de ska släppa sina behandlingar, precis som hormoner," sa Al Hassanieh.

Nyligen presenterade Al Hassanieh och hans team, i samarbete med forskare i USA, sin artikel, "Towards Practical and Scalable Molecular Networks," vid ACM SIGCOMM 2023, en årlig konferens om datakommunikation, där de beskrev sin MoMA (Molecular Multiple) Access) protokoll som möjliggör ett molekylärt nätverk med flera sändare.

"De flesta befintlig forskning är mycket teoretisk och fungerar inte eftersom teorierna inte har beaktat biologi," förklarade Al Hassanieh. "Till exempel, varje gång hjärtat pumpar uppstår ett jitter och kroppen ändrar sin interna kommunikationskanal. De flesta befintliga teorier antar att kanalen som du skickar molekylerna över är mycket stabil och inte förändras. Den förändras faktiskt väldigt snabbt."

Med MoMA introducerade teamet paketdetektion, kanaluppskattning och kodnings-/avkodningsscheman som utnyttjar de unika egenskaperna hos molekylära nätverk för att möta befintliga utmaningar. De utvärderade protokollet på en syntetisk experimentell testbädd – emulerade blodkärl med rör och pumpar – och visade att den kan skala upp till fyra sändare samtidigt som den avsevärt överträffar den senaste tekniken.

Forskarna erkänner att deras nuvarande syntetiska testbädd kanske inte fångar alla utmaningar som är förknippade med att designa protokoll för molekylära nätverk och att in vivo-testning av mikroimplantat och mikrovätskor i våtlabb behövs för att uppnå praktiska och utplacerbara molekylära nätverk. Men de tror att de har tagit de första stegen mot denna vision och att deras insikter för att designa molekylära nätverk kommer att hålla, eftersom de underliggande diffusions- och vätskedynamikmodellerna i deras testbädd är grundläggande för molekylär kommunikation

"Jag är väldigt exalterad över det här området eftersom det är en ny form av kommunikation. Vi är en systemgrupp, vi gillar att bygga saker och få dem att fungera. Det har tagit tid att utveckla den expertis vi har inom biomolekylär kommunikation men nu är vi i scenen där vi hittar kollaboratörer och kan få saker att röra på sig Folk tror att det här är science fiction, men det går snabbt över till vetenskapsfaktum, avslutade Al Hassanieh.

Mer information: Jiaming Wang et al, Towards Practical and Scalable Molecular Networks, Proceedings of the ACM SIGCOMM 2023 Conference (2023). DOI:10.1145/3603269.3604881

Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne