Nanotehnologija je napredovala do te mjere da mnoge stvari ljudi neće niti osjetiti kada počnu kolati njihovim tijelom.
Prvo je došao Internet of Things (IoT), zatim Internet of Bodies (IoB), Internet of Everything (IoE) i konačno, farmaceutske korporacije i vojska ulaze u vašu krv da konstruiraju Internet bio-nanostvari ili Internet bio-nano stvari (IoBNT). Možda ste se nadali Internetu ničega, ali umjesto toga dobivate Internet of Skynet (IoUS). Ovaj dokument iz ožujka 2015. je početnica koju svatko može razumjeti, uključujući i vas. IoBNT je posljednji građevni blok nadzorne mreže, povezujući sva živa bića od biokemijske domene do električne domene Interneta.
Nije bilo upozorenja o ovoj vrsti nanotehnologije koja vam se pumpa u vene kada ste primili mRNA cjepivo od Pfizera ili Moderne. Ni riječi od vlade, narkomafije ili vojske. Nije ponuđena ni suglasnost. Stalna propaganda govorila je da je sve “sigurno i učinkovito”.
Tehnokracija je doslovno na putu da osvoji ljudsku rasu, a ljudi nemaju pojma da se protiv njih vodi rat.
IoBNT predstavlja koncept koji mijenja paradigmu za komunikacijski i mrežni inženjering, gdje se suočavaju s novim izazovima kako bi se razvile učinkovite i sigurne tehnike za razmjenu informacija, interakciju i umrežavanje unutar biokemijske domene, istovremeno omogućavajući sučelje s električnom domenom Interneta.
Internet stvari (IoT) postao je važna tema istraživanja u posljednjem desetljeću, gdje se stvari odnose na međusobno povezane strojeve i objekte s ugrađenim računalnim mogućnostima koji se koriste za proširenje interneta na mnoge domene aplikacija. Dok se istraživanje i razvoj nastavlja za općenite IoT uređaje, postoje mnoge domene aplikacija u kojima su potrebne vrlo male stvari koje se mogu sakriti i nisu nametljive.
Svojstva nedavno proučavanih nanomaterijala, poput grafena, nadahnula su koncept Interneta nano stvari (IoNT), koji se temelji na međusobnom povezivanju uređaja nanomjernih razina. Unatoč omogućavanju mnogih aplikacija, umjetna priroda IoNT uređaja može biti štetna kada bi primjena NanoThings mogla dovesti do štetnih učinaka na zdravlje ili zagađenja. U ovom radu predstavljena je nova paradigma Interneta bio-nano stvari (IoBNT) koja potječe iz alata sintetičke biologije i nanotehnologije koji omogućuju inženjering bioloških ugrađenih računalnih uređaja.
Na temelju bioloških stanica i njihovih funkcionalnosti u biokemijskoj domeni, Bio-NanoThings obećavaju da će omogućiti primjene kao što su unutartjelesne senzorske i aktivacijske mreže i kontrola okoliša toksičnih agenasa i zagađenja. IoBNT predstavlja koncept koji mijenja paradigmu za komunikacijski i mrežni inženjering, gdje se suočavaju s novim izazovima kako bi se razvile učinkovite i sigurne tehnike za razmjenu informacija, interakciju i umrežavanje unutar biokemijske domene, istovremeno omogućavajući sučelje za električnu domenu Interneta.
Uvod
Internet stvari (IoT) definira cyber-fizičku paradigmu, gdje su sve vrste fizičkih elemenata u stvarnom svijetu (senzori, aktuatori, osobni elektronički uređaji ili kućanski uređaji, između ostalog) povezani i sposobni autonomno komunicirati jedni s drugima. Ovaj novi oblik besprijekorne povezanosti omogućuje mnoge aplikacije kao što su komunikacija između strojeva, praćenje industrijskih procesa u stvarnom vremenu, pametni gradovi, pametne mreže za upravljanje energijom, inteligentni transport, praćenje okoliša, upravljanje infrastrukturom, medicinski i zdravstveni sustavi, zgrade. i kućnu automatizaciju te široke primjene. Internet stvari postao je središte istraživanja i razvoja u posljednjih 15 godina. Državne agencije i industrija diljem svijeta ulagale su i još uvijek ulažu u Internet stvari.
Nedavno je koncept IoT-a revidiran u svjetlu novih istraživačkih napretka u području nanotehnologije i komunikacijskog inženjerstva, koji omogućuju razvoj mreža ugrađenih računalnih uređaja, temeljenih na nanomaterijalima poput grafena ili metamaterijala, koji imaju razmjere od jedan do nekoliko stotina nanometara, koji se nazivaju nanomaterijalima. Internet of Nanothings (IoNT), prvi put predstavljen, predložen je kao osnova za brojne buduće primjene, kao što su vojska, zdravstvo i sigurnost, gdje se nanothings, zahvaljujući svojoj ograničenoj veličini, mogu lako sakriti, implantirati i raspršiti u okruženje, gdje mogu kooperativno obavljati očitavanje, aktivaciju, obradu i umrežavanje.
Iako nanostvari mogu gurnuti inženjering uređaja i sustava u neviđena okruženja i razmjere, poput drugih uređaja, oni su umjetne prirode, temelje se na sintetiziranim materijalima, elektroničkim sklopovima i međusobno djeluju putem elektromagnetskih (EM) komunikacija. Ove karakteristike mogu biti štetne za neka okruženja primjene, kao što je unutar tijela ili u prirodnim ekosustavima, gdje bi primjena nanomaterijala i njihovo EM zračenje moglo dovesti do štetnih učinaka na zdravlje ili zagađenja.
Novi smjer istraživanja u inženjeringu uređaja i sustava u nanorazmjeru nastavlja se u području biologije, kombinirajući nanotehnologiju s alatima iz sintetičke biologije za kontrolu, ponovnu upotrebu, modificiranje i reinženjering bioloških stanica. Polazeći od analogije između biološke stanice i tipičnog računalnog uređaja ugrađenog u IoT, stanica se može učinkovito koristiti kao supstrat za realizaciju takozvane Bio-NanoThing, kroz kontrolu, ponovnu upotrebu i reinženjering funkcionalnosti biološke stanice , kao što su senzori, aktiviranje, obrada i komunikacija.
Budući da se stanice temelje na biološkim molekulama i biokemijskim reakcijama, a ne na elektronici, očekuje se da će koncept Internet of Bio-NanoThing (IoBNT) predstavljen u ovom članku biti promjena paradigme za mnoge povezane discipline, kao što su komunikacija i mrežni inženjering, što je fokus ovog članka. Izvršenje instrukcija temeljenih na DNK, obrada biokemijskih podataka, transformacija kemijske energije i razmjena informacija kroz molekularni prijenos i prijem, nazvana molekularna komunikacija (MC) [3], u središtu su mnoštva aplikacija koje će omogućiti IoBNT, kao što su kao:
Unutartjelesni senzori i aktiviranje, gdje bi Bio-NanoThings unutar ljudskog tijela kolektivno prikupljali informacije u vezi sa zdravljem, prenosili ih vanjskom pružatelju zdravstvenih usluga preko Interneta i izvršavali naredbe od istog pružatelja, kao što je sinteza i otpuštanje lijeka.
Kontrola intratjelesne povezanosti, gdje bi Bio-NanoThings popravile ili spriječile komunikacijske smetnje između naših unutarnjih organa, poput onih koji se temelje na endokrinom i živčanom sustavu, koji su u osnovi mnogih bolesti.
Kontrola okoliša i čišćenje, gdje bi Bio-NanoThings raspoređeni u okolišu, kao što je prirodni ekosustav, provjeravali toksične i zagađujuće agense i zajedno transformirali te agense kroz bioremedijaciju, npr. bakterije koje se koriste za čišćenje izlijevanja nafte.
Ovaj je članak organiziran na sljedeći način. Prvo, bio-nano-stvari definirane su u svjetlu alata koji su danas dostupni iz sintetičke biologije i nanotehnologije. Drugo, detaljno je opisana primjena komunikacijskog inženjerstva u dizajnu Bio-NanoThings telekomunikacija, dok se raspravlja o izazovima za projektiranje Bio-NanoThings mreža i internetskih veza. Treće, opisujemo daljnje istraživačke izazove za realizaciju IoBNT-a. Na kraju, zaključujemo članak.
Bio-NanoThings/NanoStvari
Unutar IoBNT-a, Bio-NanoThings su definirane kao jedinstveno prepoznatljive osnovne strukturne i funkcionalne jedinice koje djeluju unutar biološkog okoliša. Izvedene iz bioloških stanica i omogućene sintetskom biologijom i nanotehnologijom, od Bio-NanoThings se očekuje da obavljaju zadatke i funkcije tipične za ugrađene računalne uređaje u IoT, kao što su senzori, obrada, aktiviranje i međusobna interakcija.
Biološka stanica je osnovna jedinica života, sastoji se od membrane koja uključuje mješavinu visoko specijaliziranih molekula, s definiranim kemijskim sastavom i funkcijom, koje se također mogu organizirati u funkcionalne strukture.
Preslikavanje između komponenti tipičnog ugrađenog IoT računalnog uređaja i elemenata ćelije postaje očito ako usporedimo širenje elektrona u poluvodičima s funkcionalno sličnim, iako mnogo složenijim, biokemijskim reakcijama. U ovom kontekstu, kao što je ilustrirano na slici 1, neki primjeri su sljedeći.
Kontrolna jedinica, koja sadrži ugrađeni softver uređaja, odgovarala bi genetskim uputama gusto upakiranim u stanične molekule DNK, koje kodiraju proteinske strukture, stanične “podatkovne jedinice” i regulacijske sekvence, slične softverskim uvjetnim izrazima.
Memorijska jedinica, koja sadrži vrijednosti podataka ugrađenog sustava, odgovarala bi kemijskom sadržaju citoplazme, tj. unutrašnjosti stanice, koja se sastoji od molekula koje je stanica sintetizirala kao rezultat DNA uputa, i drugih molekule ili strukture, npr. vezikule, razmijenjene s vanjskom okolinom.
Jedinica za obradu, koja izvršava softverske instrukcije i upravlja memorijom i perifernim uređajima, odgovarala bi molekularnom stroju koji, kroz takozvanu transkripciju i translaciju, generira proteinske molekule s vrstama i koncentracijama koje ovise o uputama iz molekula DNK.
Jedinica za napajanje, koja opskrbljuje energijom za održavanje električne struje u krugovima ugrađenog sustava, odgovarala bi spremniku u stanici molekula adenozin trifosfata (ATP), koje stanica sintetizira iz energije dobavljene iz vanjskog okruženja u raznim formira i osigurava energiju potrebnu za odvijanje biokemijskih reakcija u stanici.
Primopredajnici, koji ugrađenim sustavima omogućuju razmjenu informacija, odgovarali bi specifičnim lancima kemijskih reakcija, ili signalnim putovima, kroz koje stanice razmjenjuju molekule koje prenose informacije.
Aktivacija, koja omogućuje ugrađenim sustavima prikupljanje podataka i komunikaciju s okolinom, odgovarala bi sposobnosti stanice da kemijski prepozna vanjske molekule ili fizičke podražaje, npr. svjetlosni ili mehanički stres te mijenjati kemijska svojstva okoliša ili mehanički djelovati putem pokretnih elemenata, kao što su flagele, pili ili cilije.
OMOGUĆAVAJUĆE TEHNOLOGIJE I IZAZOVI
Disciplina sintetičke biologije pruža alate za kontrolu, ponovnu upotrebu, modificiranje i reinženjering strukture i funkcije stanica, a očekuje se da će omogućiti inženjerima da učinkovito koriste biološke stanice kao programabilne supstrate za realizaciju Bio-NanoThings kao biološki ugrađenih računalnih uređaja. [2]. Tehnologije sekvenciranja i sinteze DNK, koje omogućuju čitanje i pisanje informacija o genetskom kodu u molekulama DNK bioloških stanica, daju inženjerima sve otvoreniji pristup skupu strukturnih i funkcionalnih uputa na kojima se temelji život.
Konkretno, inženjering sintetičkih bioloških krugova [5] kroz manipulaciju genetskim kodom omogućio je programiranje posebno dizajniranih funkcija koje će stanice izvršavati. Biološki krug je skup gena za kodiranje proteina i regulatornih sekvenci koje povezuju sintezu proteina kroz mehanizme uzajamne aktivacije i potiskivanja. Funkcije koje se danas uspješno razvijaju korištenjem bioloških sklopova kreću se od logičkih vrata I i ILI do raznih vrsta podesivih oscilatora, sklopki i brojača. Razvoj baza podataka s karakteriziranim standardnim dijelovima biološkog kruga s poznatim funkcijama i ponašanjem, npr. BioBricks i alati za njihovo kombiniranje u složenije dizajne [6] guraju sintetičku biologiju prema budućem razvoju sličnom onom koji je doživio dizajn integriranih električnih krugova u elektronici. Kao posljedica toga, inženjeri će uskoro moći dobiti potpuni pristup funkcionalnostima gore navedenih elemenata stanica i stanica za ponovnu upotrebu i njihovim karakteristikama, bez potrebe za dubljim poznavanjem biotehnologije. Jedna od najnovijih granica u sintetskoj biologiji je razvoj umjetnih stanica, što je između ostalog omogućeno alatima nanotehnologije.
Umjetne stanice imaju minimalne funkcionalnosti i strukturne komponente u usporedbi s prirodnim stanicama, a sastavljaju se odozdo prema gore inkapsulacijom potrebnih elemenata u biološke ili potpuno sintetičke membrane [7]. Umjetne stanice stoga mogu sadržavati genetske informacije, povezane molekularne strojeve za njihovu transkripciju, translaciju i replikaciju te sve potrebne specijalizirane molekule i strukture. Očekuje se da će umjetne stanice omogućiti agilniju i kontroliraniju upotrebu sintetskih bioloških krugova uklanjanjem sve dodatne složenosti prirodnih stanica koja nije nužna za obavljanje dizajniranih funkcija.
Iako je još u povojima, ova je tehnologija uspješno primijenjena, primjerice, u isporuci lijekova, genskoj terapiji i proizvodnji umjetnih krvnih stanica, a očekuje se da će isporučiti idealne supstrate za sintetičku biologiju s predvidljivijim ponašanjem. Iako vrlo obećavajuće, gore navedene tehnologije moraju pružiti rješenja za velike istraživačke izazove u biotehnologiji i inženjerstvu prije nego što se mogu smatrati pouzdanim alatima za realizaciju Bio-NanoThings. Usredotočujući se na gledište inženjerskog dizajna, glavni izazov je razviti pouzdane matematičke i fizikalne modele i računalne simulacijske okoline, sposobne uhvatiti posebne značajke bioloških procesa koji su u osnovi projektiranih stanica, kao što su intrinzični nelinearni fenomeni i procesi s šumnim ishodima . . Štoviše, konstruirane stanice, slično prirodnim stanicama, razmnožavaju se i mutiraju, tj. imaju tendenciju nasumične promjene dijelova svojih genetskih programa, i selektivno evoluiraju, tj. teže održavanju najboljih mutacija za svoj opstanak tijekom reprodukcije, dodajući moguće probleme, ali i nove stupnjeve sloboda dizajnera biološkog uređaja.
Još jedan izazov koji treba razmotriti povezan je s bioetikom i sigurnošću, budući da autonomno evoluirajući projektirani organizmi mogu predstavljati prijetnju prirodnim ekosustavima i čak postati novi patogeni. Nedavni razvoj “kill” prekidača u biološkim krugovima, koji mogu zaustaviti reprodukciju stanica ili potaknuti uništavanje stanica na vanjsku naredbu, samo djelomično rješava ove probleme.
Srž koncepta IoBNT je potreba da Bio-NanoThings međusobno komuniciraju i da komuniciraju na temelju razmijenjenih informacija. Budući da Bio-NanoThings potječu iz inženjeringa bioloških stanica, kao što je gore spomenuto, prirodno okruženje glavna je inspiracija za proučavanje komunikacijskih tehnika za IoBNT.
MOLEKULARNA KOMUNIKACIJA U PRIRODI
U prirodi se razmjena informacija među stanicama temelji na sintezi, transformaciji, emisiji, reprodukciji i primanju molekula kroz biokemijske i fizikalne procese. Ova razmjena informacija, nedavno klasificirana u telekomunikacijskom inženjerstvu kao MC [1], omogućuje međustanične interakcije i koordinaciju jednostaničnih i višestaničnih organizama, populacija i konzorcija s više vrsta, te sudjeluje u većini glavnih staničnih funkcija kao što su rast i proliferacija stanica.
MC u stanicama temelji se na gore spomenutim signalnim putovima, koji su lanci kemijskih reakcija koje obrađuju informacijske signale modulirane u kemijske karakteristike, kao što su koncentracija molekule, vrsta i energetsko stanje, te ih šire od izvora ili odašiljača do odredišta . ili prijemnik [4]. Stanični signalni putovi mogu se klasificirati na temelju udaljenosti između izvora i odredišta u intrakrine (izvor i odredište su unutar iste stanice), jukstrakrine (izvor i odredište su stanice u međusobnom kontaktu), parakrine (izvor i odredište su u neposrednoj blizini jedni drugima, ali nisu u kontaktu), ili endokrini (izvor i odredište su daleko jedno od drugog).
Primjer intrakrine komunikacije je unutarstanični transport molekula ili molekularnih struktura kojima upravljaju citoskeletni molekularni motori. Molekularni motori su intracelularni specijalizirani proteini koji mogu pretvoriti gore spomenute ATP molekule u mehaničku energiju. Molekularni motori citoskeleta sposobni su se vezati za određeni teret, kao što su vezikule koje sadrže skupine molekula, ili organele cijelih stanica, pričvrstiti se za mikrofilamentne strukture koje čine stanični kostur i puzati po njima, prenoseći teret iz jezgre do membrane. stanice i obrnuto.
Razmjena molekula, kao što su kalcijevi ioni Ca2+, između dviju stanica povezanih komunikacijskim spojevima u njihovoj membrani primjer je jukstakrine komunikacije. Nekoliko primjera u prirodi, kao što je signalizacija tijekom srčane kontrakcije koja se javlja između mišićnih stanica, ili miocita, pokazuju kako male količine molekula mogu teći difuzijom između susjednih stanica i biti odgovorne za sinkronizaciju koordiniranih radnji.
Bakterije pokazuju nekoliko načina komunikacije u prirodi, kao što je parakrina komunikacija koja je u osnovi emisije signalnih molekula koje pripadnici populacije nazivaju autoinduktorima. U ovom procesu, koji se naziva bakterijski kvorum sensing, autoinduktori difundiraju unutar međustaničnog prostora i, nakon unosa, omogućuju bakterijama da procijene gustoću populacije i imaju korelirani odgovor, kao što je proizvodnja specifičnih vrsta proteina. Bakterije također mogu razmjenjivati specifične molekule DNA, ili plazmide, izravnim kontaktom, kroz proces koji se zove konjugacija, i prenijeti plazmide drugim udaljenim bakterijama unutar međustaničnog prostora plivajući duž kemijskih tragova, proces koji se naziva kemotaksija.
U višestaničnim organizmima, primjer endokrine komunikacije je putem signalnih molekula zvanih hormoni koji se emitiraju iz stanica koje čine žlijezde, šire se krvožilnim sustavom i primaju ih stanice u udaljenim organima, gdje izazivaju specifične reakcije, kao što je npr. povećanje stanica, rast i reprodukcija.
IZAZOVI U INŽENJERSTVU MOLEKULARNE KOMUNIKACIJE ZA IOBNT
Unutar IoBNT-a, od Bio-NanoThings se očekuje da međusobno komuniciraju razmjenom različitih vrsta informacija, npr. sinkronizacijskih signala, vrijednosti očitanih kemijskih/fizikalnih parametara, rezultata logičkih operacija i skupova uputa i naredbi. Inženjerske komunikacijske tehnike koje podržavaju ove interakcije u biološkom okolišu moraju proizaći iz rješenja koja se nalaze u prirodi, kao što su gore opisana.
Jedan od najvećih izazova je razumjeti kako se ta prirodna rješenja mogu kontrolirati, modificirati ili reinženjerirati za prijenos informacija koje se mogu razlikovati od prirodnih. Polazeći od gore navedenih alata koji se razvijaju u sintetskoj biologiji i nanotehnologiji, inženjeri su nedavno počeli analizirati nekoliko različitih mogućnosti za realizaciju MC sustava, bilo genetskim reprogramiranjem ponašanja stanica unutar njihovih prirodnih komunikacija [8], ili razvojem potpuno novih umjetnih komunikacijskih sustava sastavljanjem prirodnih bioloških komponenti [9].
Primjeri MC sustava koji su do sada osmišljeni mogu se klasificirati na temelju raspona udaljenosti koje se očekuju od prijenosa do prijema. Na primjer, kontroliranje jukstakrine komunikacije kroz genetsko programiranje bioloških stanica može omogućiti inženjering mreža u kojima su Bio-NanoThings u međusobnom kontaktu, na primjer kada su organizirane u tkivo ili biofilm [10]. Ova tehnika MC-a, koja se obično naziva gore spomenuta izmjena Ca2+, prikazana na slici 2a, pokriva udaljenosti proporcionalne debljini staničnih membrana i može se smatrati MC-om vrlo kratkog dometa (desetci do stotine nm). Može se smatrati da gore spomenuti citoskeletni molekularni motori ostvaruju MC u kratkom rasponu (nm-mm) [11], kao što je prikazano na slici 2b, kako bi pokrili unutarkrinu komunikaciju Bio-NanoThings.
Komunikacijski inženjeri također su kombinirali gore opisane modele bakterijske konjugacije i procesa kemotaksije kako bi teoretski proučili mogući umjetni sustav MC, za koji se, prema poznatim karakteristikama kemotaksije, može smatrati da pokriva srednji raspon (mm-mm) [9] . Točnije, informacija je predstavljena u molekulama DNA, odnosno plazmidima, koji se ubacuju u prijenosno mjesto u bakteriji i ekstrahiraju iz te iste bakterije na primatelju procesom konjugacije.
Ove bakterije mogu plivati kemotaksijom prema primatelju, nakon otpuštanja specifičnih molekula, tj. kemoatraktanata, kao što je prikazano na slici 2c. Primjer MC sustava dugog dometa (mm-m) dizajniran je na temelju hormonalne komunikacije unutar ljudskog endokrinog sustava [12], kao što je prikazano na slici 2d. Iz perspektive telekomunikacijskog inženjerstva, jedan od glavnih izazova je mapiranje MC-a u klasične elemente projektiranog komunikacijskog sustava, kao i korištenje alata iz teorije sustava i informacija s krajnjim ciljem modeliranja i analize glavnih telekomunikacijskih karakteristika. i performanse. , kao što su raspon, kašnjenje (latencija), kapacitet, propusnost i stopa pogreške u bitovima [13].
Poznavanje ovih karakteristika će potom omogućiti usporedbu i klasifikaciju mogućih različitih tehnika za realizaciju MC-a za različite scenarije primjene IoBNT-a, kao i optimizaciju njihovog dizajna i implementacije. Primjeri gore spomenutog mapiranja prikazani su na slici 3, gdje su glavni procesi uključeni u svaki gore opisani MC sustav podijeljeni na komunikacijske elemente kako slijedi. Kodiranje i dekodiranje povezani su s načinom na koji je prenesena informacija predstavljena u jednoj ili više karakteristika molekula, kao što su skupovi određenih vrsta i brojeva molekula (molekularni motori i hormonska komunikacija), sastav bioloških makromolekula, kao što je DNA plazmida (konjugacijske bakterije, kemotaksija), odnosno koncentracije oslobođene molekule (Ca2+ izmjena).
Prijenos i prijam uključuju kemijske i fizikalne procese za pokretanje difuzije molekula, npr. inkapsulacija u vezikule za molekularni motorni transport, oslobađanje molekula u tekućinu, kao što je krvotok, ili kroz spoj između dviju susjednih stanica, ili oslobađanje bakterija u prisutnosti molekula kemoatraktanata u okolišu.
Konačno, propagacija se bavi mobilizacijom molekula koje prenose informacije od mjesta odašiljača do prijamnika, kao što je molekularni motor koji puzi duž mikrofilamentnih struktura, difuzija preko membranskih spojeva, difuzija i advekcija u krvotoku i bakterijska kemotaksija prema izvoru kemoatraktanta (prijemnik).
Iako je velika količina literature o MC-u posvećena modeliranju i analizi gore spomenutih sustava kroz pojednostavljivanje pretpostavki, koje povećavaju matematičku fleksibilnost temeljnih fizikalnih i kemijskih fenomena, još je dug put do kojeg komunikacijski inženjer mora u potpunosti razumjeti kako dizajnirati realne MC sustave za IoBNT komunikaciju.
Glavni izazovi su pretvorba ovih pojednostavljenih modela u realističnije scenarije. Na primjer, modeli slobodne difuzije koji su dosad razmatrani u MC inženjerstvu za širenje i reakciju molekula u unutarstaničnom okolišu, npr. u Ca2+ komunikaciji, mora se revidirati kako bi se uključile realističnije pojave, kao što je učinak visokih koncentracija makromolekula, npr. proteini, koji se nazivaju makromolekularne gomile. Drugi primjer pruža endokrino širenje, koje je do sada razmatrano za mali podskup dobro definiranih krvnih žila, gdje modeli trebaju uzeti u obzir ne samo ukupnu prosječnu fiziologiju ljudskog kardiovaskularnog sustava, već i da specifične karakteristike svakog pojedinca može rezultirati vrlo različitom dinamikom širenja.
Također, modeli bakterijske kemotaksije koji se do sada koriste u MC inženjerstvu temelje se samo na ponašanju i svojstvima pojedinačnih bakterija i in vitro okruženjima, gdje su zapravo realističnija okruženja, kao što je unutar ljudskog tijela, i činjenica da bakterije mogu biti uzeti u obzir da se oni repliciraju i reproduciraju dinamički i međusobno djeluju unutar konzorcija više vrsta. Drugi izazovi za razvoj pouzdanih analitičkih alata za MC inženjerstvo su nelinearna priroda mnogih biokemijskih fenomena i prisutnost vrlo različitih izvora šuma, kao što su genetske mutacije, u usporedbi s klasičnim sustavima.
BIO-NANOTHING MREŽE I INTERNET
Pod IoBNT-om, očekuje se da Bio-NanoThings ne samo međusobno komuniciraju, već i da komuniciraju u mrežama, koje će se na kraju sučeliti s Internetom. U tu svrhu, definicija mrežnih arhitektura i protokola povrh gore spomenutih MC sustava bitan je korak za razvoj IoBNT-a. Daljnji izazov za IoBNT je međusobno povezivanje heterogenih mreža, tj. sastavljen od različitih vrsta Bio-NanoThings i temeljen na različitim MC sustavima.
U konačnici, realizacija sučelja između električne domene Interneta i biokemijske domene IoBNT mreža bit će konačna granica za stvaranje besprijekorne međusobne veze između današnjeg cyber svijeta i biološkog okoliša. Na slici 4 prikazujemo mogući scenarij u kojem je kompletan IoBNT, sastavljen od nekoliko mreža temeljenih na različitim MC sustavima, raspoređen unutar ljudskog tijela i povezan preko osobnog električnog uređaja spojenog na Internet za isporuku statusnih parametara unutar tijela (i primati naredbe i upute) (od) pružatelja zdravstvenih usluga.
IZAZOVI ZA POSTIZANJE MREŽA BIO-NANIŠTA
Dok je inženjerstvo računalnih mreža dobro uspostavljeno područje, gdje se nudi nekoliko različitih rješenja za mnoge različite tehnologije i scenarije primjene, projektiranje mreža unutar biološkog okruženja, temeljeno na MC paradigmi kao fizičkom mediju, predstavlja nove izazove za mrežnu zajednicu. Na primjer, molekularne informacije općenito ne slijede predvidljive i specifične smjerove širenja, kao što to rade elektromagnetski signali u klasičnim komunikacijama [13].
Difuzija molekula, bakterijska kemotaksija i filamenti koji podržavaju molekularne motore imaju tendenciju pokrivanja nasumičnih uzoraka između izvora i odredišta. Ove i druge osobitosti, kao što je nelinearna priroda mnogih biokemijskih fenomena, čine korištenje klasičnih tehnika za reguliranje pristupa Bio-NanoThings uobičajenim medijima, kao što su tekućine, za rješavanje Bio-NanoThings i dizajniranje mehanizama posebno izazovnim za usmjeravanje informacija, što su važni osnovni aspekti računalnih mreža.
Kao što je učinjeno za MC sustave, jedno od mogućih rješenja bit će modeliranje, analiza i ponovna upotreba mehanizama višestaničnih interakcija u prirodi, kao što su populacije bakterija [14] i konzorciji više vrsta, ili unutar tkiva višestaničnih organizama. , za prijenos IoBNT informacija.
U tom smjeru, rješenje za međusobno povezivanje heterogenih Bio-NanoThing mreža, temeljenih na različitim MC sustavima, također može doći iz prirodnog načina na koji naše tijelo upravlja i integrira nekoliko vrsta informacija kako bi održalo stabilan, zdrav status ili homeostazu [4]. Ovi procesi unutar tijela dopuštaju heterogenu komunikaciju na različitim razinama, u rasponu od intrakrine komunikacije unutar stanice, do juktakrine komunikacije unutar tkiva, do endokrinih komunikacija između različitih organa. Na primjer, stanice hipofize izvode ovu vrstu translacije otpuštanjem hormona u tjelesne organe kako bi kontrolirali nekoliko procesa, kao što su rast, krvni tlak, temperatura i obrasci spavanja, kao rezultat primanja drugih hormona iz stanica. susjedni hipotalamus.
Biološki sklopovi temeljeni na tim procesima mogu učinkovito pružiti skup genetskih uputa koje oponašaju klasične pristupnike između različitih podmreža na Internetu. Slika 5a ilustrira opći primjer umjetne stanice koja prevodi informacije kodirane u molekulama koje emitiraju proizvedene bakterije u hormone koji se mogu lučiti u krvožilni sustav.
U ovom dizajnu, receptori bi presreli dolazne molekule koje bi, kroz kaskadu kemijskih reakcija, aktivirale biološki krug, koji bi zauzvrat sintetizirao proteine koji bi mogli pokrenuti potrebne kemijske reakcije za proizvodnju hormona.
IZAZOVI ZA BIO-CYBER SUČELJA
Bio-cyber sučelje definirano je ovdje kao skup procesa potrebnih za prevođenje informacija iz biokemijske domene Bio-NanoThing mreža u internetsku cyber-domenu, koja se temelji na električnim krugovima i elektromagnetskim komunikacijama, i obrnuto. Jedan od glavnih izazova za realizaciju ovih sučelja je inženjering kemijskih i fizičkih procesa koji mogu točno očitati karakteristike molekula u kojima su informacije kodirane i prevesti ih u modulaciju elektromagnetskih parametara. Moguće rješenje u tom smjeru moglo bi proizaći iz novih kemijskih i bioloških senzora omogućenih nanotehnologijom, koji obećavaju neviđene senzorske sposobnosti [15].
Ti se senzori općenito sastoje od materijala karakteriziranih električnim ili elektromagnetskim svojstvima koja se mogu promijeniti prisutnošću određenih molekula ili molekularnih kompleksa, kao što su biološki receptori pričvršćeni na molekule, i sukladno tome moduliraju struju u električnom krugu. Glavni problemi za korištenje ove senzorske tehnologije za IoBNT aplikacije su njihova trenutno visoka latencija, niska selektivnost, nedostatak standardiziranog odgovora i, što je još važnije, nepoznata biokompatibilnost, o čemu ćemo raspravljati u nastavku. Biokompatibilnost, ovdje zamišljena kao svojstvo projektiranog sustava da ograniči svoje djelovanje na biološki okoliš isključivo na predviđenu funkciju, bez ikakvih neželjenih promjena bioloških parametara, predstavlja još jedan izazov za primjenu bio-kibernetičkih sučelja, posebno za in-tjelesna IoBNT aplikacije kao što je prikazano na slici 4. Uzimajući u obzir ograničenu veličinu gore spomenutih nanosenzora i trenutne obećavajuće rezultate istraživanja elektromagnetskih (EM) nanokomunikacija, predviđamo mogućnost razvoja bio-cyber sučelja inkapsulacijom bioloških nanosenzora i EM nanokomunikacijskih jedinica unutar gore spomenuta umjetna stanica, kao što je prikazano na slici 5b.
U ovom bi dizajnu biološki nanosenzor bio odgovoran za povezivanje kemijske i električne domene, EM nano-komunikacijska jedinica bi bežično komunicirala s električnim uređajima izvan biološkog okoliša, a umjetna stanica bi osiguravala biokompatibilnost. Međutim, izazov leži u sposobnosti generiranja dovoljno energije da bežični odašiljač emitira elektromagnetske valove koji se mogu širiti kroz umjetnu staničnu membranu.
U isto vrijeme, potrebni su pristupi za prikupljanje energije za odašiljačku jedinicu iz ćelije. Druga alternativa je guranje električne/EM domene na fizičko sučelje između biološkog okoliša i vanjskog svijeta, kao što je koža za IoBNT aplikacije unutar tijela. U skladu s tim, elektroničke tetovaže, slične onima temeljenim na tehnologiji radiofrekvencijske identifikacije (RFID), koje korisnicima omogućuju autentifikaciju uređaja u neposrednoj blizini, mogle bi sadržavati bio-cyber sučelje koje može osjetiti biokemijske informacije iz epidermalnih stanica, znojnih žlijezda ili živčane završetke i bežično komunicirati s vanjskim elektroničkim uređajima u blizini.
DALJNJI IZAZOVI
Sada ćemo ukratko spomenuti neke daljnje izazove s kojima se treba suočiti za razvoj IoBNT-a. Tehnologije koje omogućuju IoBNT o kojima se govori u ovom članku mogu predstavljati ozbiljne sigurnosne prijetnje ako se njima manipulira sa zlonamjernom namjerom. Nova vrsta terorizma, koju nazivamo bio-cyber terorizam, mogla bi učinkovito iskoristiti mnoge mogućnosti koje nudi IoBNT za kontrolu i interakciju s biološkim okolišem.
Na primjer, Bio-NanoThings se mogu koristiti za pristup ljudskom tijelu, krađu osobnih zdravstvenih podataka ili čak stvaranje novih bolesti. Nadalje, mogu se stvoriti nove vrste virusa za hakiranje već postavljenih IoBNT-ova.
Istraživanja u području IoBNT-a nužno bi se trebala pozabaviti ovim problemima kombiniranjem sigurnosnih metoda primijenjenih na današnje računalne mreže sa sigurnosnim rješenjima koja je razvila priroda kroz evoluciju, poput ljudskog imunološkog sustava. Realizacija tehnika lokalizacije i praćenja unutar IoBNT-a, na sličan način kao što je to realizirano u bežičnim senzorskim mrežama (VSN), mogla bi omogućiti značajne aplikacije vezane uz, primjerice, praćenje lokacija bolesti u tijelu ili identifikaciju lokacije i distribucije. toksičnih agenasa u okolišu.
Jedno rješenje moglo bi doći iz inženjeringa kemotaksije u Bio-NanoThings, temeljeno na prethodno spomenutoj sposobnosti bakterija da lokaliziraju i prate izvore određenih vrsta molekula, koje bi mogle biti, na primjer, biomarkeri koje oslobađaju kancerogene ili zaražene stanice. U skladu s vizijom “povezanih svih stvari”, krajnji cilj je međusobno povezivanje paradigmi IoBNT i IoNT s IoT.
Izazov ugradnje uređaja nanomjere velika je količina informacija koje će se pojaviti, podižući izazove upravljanja “velikim podacima” na novu razinu. Uz sve veće količine podataka, nove će usluge trebati osmisliti za semantičko mapiranje različitih vrsta podataka koje će IoBNT i IoNT unositi u IoT. Također će biti potrebna nova rješenja za otkrivanje usluga za pretraživanje duboko u biološkom okolišu i interakciju s projektiranim biološkim entitetima radi aktiviranja ili prikupljanja informacija.
Disciplina sintetičke biologije pruža alate za kontrolu, ponovnu upotrebu, modificiranje i reinženjering stanica, omogućujući inženjerima da koriste biološke stanice kao programabilne supstrate za realizaciju Bio-NanoThings, biološki integriranih računalnih uređaja. Sekvenciranje i sinteza DNK omogućuju čitanje i pisanje informacija u genetskom kodu, dajući inženjerima sve veći pristup strukturnim i funkcionalnim uputama života.
Inženjering sintetičkih bioloških krugova kroz manipulaciju genetskog koda omogućio je programiranje specifičnih funkcija u stanicama. Biološki krug sastoji se od gena koji kodiraju proteine i regulatornih sekvenci, omogućujući sintezu proteina kroz mehanizme međusobne aktivacije i potiskivanja. Današnje biološke funkcije uključuju logička vrata, oscilatore, sklopke i brojače. Razvoj baza podataka sa standardnim biološkim dijelovima, kao što je BioBricks, i alata za njihovo kombiniranje, pomiče sintetičku biologiju prema modelu dizajna integriranih sklopova u elektronici. To će inženjerima dati potpunu kontrolu nad staničnim funkcionalnostima bez potrebe za dubokim poznavanjem biotehnologije.
Jedna od najnovijih granica u sintetskoj biologiji je razvoj umjetnih stanica, uz pomoć nanotehnoloških alata. Ove stanice imaju minimalnu funkcionalnost u usporedbi s prirodnim, jer se sastavljaju odozdo prema gore inkapsulacijom potrebnih elemenata u sintetičke membrane. Umjetne stanice mogu sadržavati genetske informacije, molekularne strojeve za transkripciju, translaciju i replikaciju, omogućujući kontroliraniju upotrebu sintetskih bioloških krugova.
Iako je ova tehnologija tek u povojima, već je primijenjena na dostavu lijekova, gensku terapiju i proizvodnju umjetnih krvnih stanica, a obećava predvidljivije ponašanje u sintetskoj biologiji. Međutim, tehnologije moraju prevladati značajne izazove prije nego što postanu pouzdani alati za Bio-NanoThings. Ključni izazov je razviti pouzdane matematičke i fizičke modele koji mogu obuhvatiti specifičnosti bioloških procesa, kao što su nelinearni fenomeni i šumoviti ishodi.
Drugi važan izazov su bioetika i sigurnost, budući da autonomno evoluirajući projektirani organizmi mogu predstavljati prijetnju prirodnim ekosustavima ili postati novi patogeni. Razvoj “kill” prekidača u biološkim krugovima, koji mogu zaustaviti reprodukciju stanice ili pokrenuti njezino uništenje, samo djelomično rješava ove probleme.
Srž koncepta IoBNT je potreba da Bio-NanoThings međusobno komuniciraju. Budući da potječu iz inženjeringa bioloških stanica, prirodni okoliš glavna je inspiracija za proučavanje komunikacijskih tehnika za IoBNT. U prirodi stanice razmjenjuju informacije sintezom, transformacijom, emitiranjem, umnožavanjem i primanjem molekula kroz biokemijske i fizikalne procese. Ova razmjena informacija omogućuje interakcije stanica i koordinaciju organizama, populacija i konzorcija više vrsta te sudjeluje u glavnim staničnim funkcijama, poput rasta i proliferacije.
Jedan od najvećih izazova je razumijevanje kako se ta prirodna rješenja mogu kontrolirati i modificirati za prijenos informacija. Inženjeri već istražuju mogućnosti realizacije MC sustava, bilo genetskim reprogramiranjem stanica unutar njihove prirodne komunikacije, bilo razvojem novih umjetnih komunikacijskih sustava. Primjeri MC sustava klasificirani su prema udaljenosti između odašiljača i prijamnika, uključujući jukstakrinu komunikaciju u staničnim membranama i hormonsku komunikaciju u ljudskom endokrinom sustavu.
Ključni izazovi u inženjeringu MC sustava uključuju modeliranje, analizu i ponovnu upotrebu mehanizama interakcije prirode za prijenos IoBNT informacija. Izazovi za razvoj pouzdanih MC sustava su složeni i zahtijevaju rješenja koja uključuju i biološke i inženjerske aspekte.
