Nešto kruži vašim telom! NANOTEHNOLOGIJA napreduje do te mere da je nećete ni osetiti a biće u vama

Prvo je nastao Internet stvari (IoT), zatim Internet tela (IoB), Internet svega (IoE), i na kraju, farmacetuske korporacije i vojska ulaze u vašu krv da konstruišu Internet Bio-NanoThings ili Internet Bio-Nano stvari (IoBNT). Možda ste se nadali Internetu ničega, ali umesto toga dobijate Internet Skynet-a (IoUS). Ovaj rad iz marta 2015. je bukvar koji svako može da razume, uključujući i vas. IoBNT je poslednji građevinski blok mreže za nadzor, koji povezuje sva živa bića iz biohemijskog domena u električni domen Interneta.

Nije bilo upozorenja da vam se ovakva nanotehnologija upumpa u vene kada ste primili mRNK vakcinu od Pfizera ili Moderne. Ni reči od vlade, farmako mafije ili vojske. Nije ponuđena ni saglasnost. Neprekidna propaganda je rekla da je sve „Bezbedno i efikasno“.

Tehnokratija je bukvalno na putu da osvoji ljudsku rasu, dok ljudi uopšte nemaju pojma da se protiv njih vodi rat.

IoBNT predstavlja koncept koji menja paradigmu za komunikacioni i mrežni inženjering , gde se suočavaju sa novim izazovima da se razviju efikasne i bezbedne tehnike za razmenu informacija, interakciju i umrežavanje unutar biohemijskog domena , istovremeno omogućavajući interfejs sa električnim domenom Internet.

Internet stvari (IoT) je postao važna tema istraživanja u poslednjoj deceniji, gde se stvari odnose na međusobno povezane mašine i objekte sa ugrađenim računarskim mogućnostima koji se koriste za proširenje Interneta na mnoge domene aplikacija. Dok se istraživanje i razvoj nastavljaju za opšte IoT uređaje, postoji mnogo domena aplikacija u kojima su potrebne veoma male stvari koje se mogu sakriti i koje nisu nametljive.

NE PROPUSTITE NOVU EPIZODU PODKASTA MARIO ZNA! 

Osobine nedavno proučavanih nanomaterijala, kao što je grafen, inspirisale su koncept Interneta nanostvari (IoNT), zasnovan na međusobnom povezivanju uređaja nanorazmera. Uprkos tome što omogućava mnoge aplikacije, veštačka priroda IoNT uređaja može biti štetna tamo gde bi primena NanoThings-a mogla da dovede do neželjenih efekata po zdravlje ili zagađenje. Nova paradigma Interneta bio-nano stvari (IoBNT) je predstavljena u ovom radu tako što potiče iz sintetičke biologije i nanotehnoloških alata koji omogućavaju inženjering bioloških ugrađenih računarskih uređaja.

Zasnovano na biološkim ćelijama i njihovim funkcionalnostima u biohemijskom domenu, Bio-NanoThings obećavaju da će omogućiti aplikacije kao što su intra-telesne mreže senzora i aktiviranja, i kontrola životne sredine toksičnih agenasa i zagađenja. IoBNT predstavlja koncept koji menja paradigmu za komunikacioni i mrežni inženjering, gde se suočavaju sa novim izazovima da se razviju efikasne i bezbedne tehnike za razmenu informacija, interakciju i umrežavanje unutar biohemijskog domena, istovremeno omogućavajući interfejs ka električnom domenu Internet.

Uvod

Internet stvari (IoT) definiše sajber fizičku paradigmu, gde su sve vrste fizičkih elemenata u stvarnom svetu (senzori, aktuatori, lični elektronski uređaji ili kućni aparati, između ostalog) povezani i u stanju su da autonomno komuniciraju jedni sa drugima . Ovaj novi oblik besprekornog povezivanja omogućava mnoge aplikacije kao što su komunikacija između mašina, praćenje industrijskih procesa u realnom vremenu, pametni gradovi, pametne mreže za upravljanje energijom, inteligentni transport, praćenje životne sredine, upravljanje infrastrukturom, medicinski i zdravstveni sistemi, zgrade. i kućnu automatizaciju, i široke primene. Internet stvari je postao fokus istraživanja i razvoja u poslednjih 15 godina. Vladine agencije i industrija širom sveta ulagale su i još uvek ulažu u Internet stvari.

Nedavno je koncept IoT-a revidiran u svetlu novih istraživačkih napredaka ostvarenih u oblasti nanotehnologije i komunikacionog inženjerstva, koji omogućavaju razvoj mreža ugrađenih računarskih uređaja, zasnovanih na nanomaterijalima kao što su grafen ili metamaterijali, koji imaju razmere od jednog do nekoliko stotina nanometara, koji se nazivaju nanostvari. Internet nanostvari (IoNT), prvi put uveden predložen je kao osnova za brojne buduće primene, kao što su u vojsci, zdravstvu i bezbednosti, gde se nanostvari, zahvaljujući svojoj ograničenoj veličini, mogu lako sakriti, implantirati i rasuti u okolinu, gde mogu kooperativno da vrše sensing, aktiviranje, obradu i umrežavanje.

Dok nanostvari mogu da potisnu inženjering uređaja i sistema u okruženja i razmere bez presedana, slično kao i drugi uređaji, oni imaju veštačku prirodu, budući da su zasnovani na sintetizovanim materijalima, elektronskim kolima i međusobno deluju putem elektromagnetnih (EM) komunikacija. Ove karakteristike mogu biti štetne za neka okruženja primene, kao što su unutar tela ili u prirodnim ekosistemima, gde bi primena nanostvari i njihovog EM zračenja mogla da dovede do neželjenih efekata na zdravlje ili zagađenje.

Novi istraživački pravac u inženjeringu uređaja i sistema nanorazmera se sprovodi u oblasti biologije, kombinovanjem nanotehnologije sa alatima iz sintetičke biologije za kontrolu, ponovnu upotrebu, modifikovanje i reinženjering bioloških ćelija. Polazeći od analogije između biološke ćelije i tipičnog računarskog uređaja ugrađenog u IoT, ćelija se može efikasno koristiti kao supstrat za realizaciju takozvane Bio-NanoThing, kroz kontrolu, ponovnu upotrebu i reinženjering funkcionalnosti bioloških ćelija, kao što su sensing, aktiviranje, obrada i komunikacija.

Pošto su ćelije zasnovane na biološkim molekulima i biohemijskim reakcijama, a ne na elektronici, očekuje se da će koncept Interneta Bio-NanoThing (IoBNT), predstavljen u ovom članku, biti promena paradigme za mnoge srodne discipline, kao što su komunikacioni i mrežni inženjering, što je u fokusu ovog članka. Izvršenje instrukcija zasnovanih na DNK, biohemijska obrada podataka, transformacija hemijske energije i razmena informacija putem prenosa i prijema molekula, koja se naziva molekularna komunikacija (MC) [3], su u osnovi mnoštva aplikacija koje će omogućiti IoBNT, kao što su:

Intra-telo sensing i aktiviranje, gde bi Bio-NanoThings unutar ljudskog tela zajedno prikupljali informacije u vezi sa zdravljem, prenosili ih spoljnom pružaocu zdravstvenih usluga preko Interneta i izvršavali komande istog provajdera, kao što su sinteza i oslobađanje lekova.

Kontrola unutartelesne povezanosti, gde bi Bio-NanoThings popravljao ili sprečio kvarove u komunikaciji između naših unutrašnjih organa, poput onih zasnovanih na endokrinom i nervnom sistemu, koji su u osnovi mnogih bolesti.

Kontrola i čišćenje životne sredine, gde bi Bio-NanoThings raspoređeni u životnoj sredini, kao što je prirodni ekosistem, proveravali da li postoje toksični i zagađivači agensi i zajedno transformisali ove agense kroz bioremedijaciju, npr. bakterije koje se koriste za čišćenje izlivene nafte.

Ovaj članak je organizovan na sledeći način. Prvo, bio-nano-stvari su definisane u svetlu alata koji su danas dostupni iz sintetičke biologije i nanotehnologije. Drugo, detaljno je opisana primena komunikacionog inženjeringa za projektovanje Bio-NanoThings telekomunikacija, dok se razmatraju izazovi za projektovanje Bio-NanoThings mreža i internet veza. Treće, opisujemo dalje istraživačke izazove za realizaciju IoBNT-a. Na kraju zaključujemo članak.

Bio-NanoThings/NanoStvari

U okviru IoBNT-a, Bio-NanoThings su definisane kao jedinstveno prepoznatljive osnovne strukturne i funkcionalne jedinice koje deluju u okviru biološkog okruženja. Potičući iz bioloških ćelija, a omogućeni sintetičkom biologijom i nanotehnologijom, od Bio-NanoThingsa se očekuje da obavlja zadatke i funkcije tipične za ugrađene računarske uređaje u IoT-u, kao što su sensing, obrada, aktiviranje i međusobna interakcija.

Biološka ćelija je osnovna jedinica života, koja se sastoji od membrane koja obuhvata mešavinu visoko specijalizovanih molekula, sa definisanim hemijskim sastavom i funkcijom, koji se takođe mogu organizovati u funkcionalne strukture.

Preslikavanje između komponenti tipičnog IoT ugrađenog računarskog uređaja i elemenata ćelije postaje očigledno ako uporedimo propagaciju elektrona u poluprovodnicima sa funkcionalno sličnim, iako mnogo složenijim, biohemijskim reakcijama. U ovom kontekstu, kao što je ilustrovano na slici 1, neki primeri su sledeći.

Kontrolna jedinica , koja sadrži ugrađeni softver uređaja, odgovarala bi genetskim uputstvima gusto upakovanim u ćelijske DNK molekule, koji kodiraju proteinske strukture, ćelijske „jedinice podataka“ i regulatorne sekvence, slične softverskim uslovnim izrazima .

Memorijska jedinica, koja sadrži vrednosti ugrađenih sistemskih podataka, odgovarala bi hemijskom sadržaju citoplazme, odnosno unutrašnjosti ćelije, koja se sastoji od molekula koje sintetiše ćelija kao rezultat DNK instrukcija, i drugih molekula ili struktura , npr. vezikule, razmenjene sa spoljašnjim okruženjem.

Jedinica za obradu, koja izvršava softverske instrukcije i upravlja memorijom i periferijama, odgovarala bi molekularnoj mašineriji koja od molekula DNK, kroz takozvanu transkripciju i translaciju, generiše proteinske molekule sa tipovima i koncentracijama zavisnim od instrukcije.

Jedinica za napajanje , koja isporučuje energiju za održavanje električnih struja u krugovima ugrađenog sistema, odgovarala bi rezervoaru u ćeliji molekula adenozin trifosfata (ATP), koji ćelija sintetiše iz energije dostavljene iz spoljašnje sredine u različite oblike, i obezbeđuje energiju neophodnu za odvijanje biohemijskih reakcija ćelije.

Primopredajnici , koji omogućavaju ugrađenim sistemima da razmenjuju informacije, odgovarali bi specifičnim lancima hemijskih reakcija, odnosno signalnih puteva, kroz koje ćelije razmenjuju molekule koji nose informacije.

Aktiviranje , koji omogućavaju ugrađenim sistemima da pribavljaju podatke i komuniciraju sa okolinom, odgovarali bi sposobnosti ćelije da hemijski prepozna spoljašnje molekule ili fizičke stimuluse, npr. svetlost ili mehanički stres, i da promeni hemijske karakteristike okoline ili mehanički interaguju kroz pokretne elemente, kao što su flagele, pili ili cilije.

OMOGUĆAVANjE TEHNOLOGIJA I IZAZOVA

Disciplina sintetičke biologije pruža alate za kontrolu, ponovnu upotrebu, modifikovanje i reinženjering strukture i funkcije ćelija, a očekuje se da će omogućiti inženjerima da efikasno koriste biološke ćelije kao programabilne supstrate za realizaciju Bio-NanoThings-a kao biološki ugrađenih računarskih uređaja. [2]. Tehnologije sekvenciranja i sinteze DNK, koje omogućavaju čitanje i pisanje informacija o genetskom kodu u molekulima DNK bioloških ćelija, daju inženjerima sve otvoreniji pristup skupu strukturnih i funkcionalnih instrukcija u osnovi života.

Konkretno, inženjering sintetičkih bioloških kola [5] putem manipulacije genetskim kodom omogućio je programiranje posebno dizajniranih funkcija koje će izvršavati ćelije. Biološko kolo je skup gena koji kodiraju proteine i regulatorne sekvence, koji povezuju sintezu proteina putem mehanizama međusobne aktivacije i represije. Funkcije koje se danas uspešno razvijaju preko bioloških kola se kreću od logičkih kapija I i ILI, do različitih tipova podesivih oscilatora, prekidača i brojača. Razvoj baza podataka sa okarakterisanim standardnim biološkim delovima kola sa poznatim funkcijama i ponašanjem, npr. BioBricks, i alata za njihovo kombinovanje u složenije dizajne [6], guraju sintetičku biologiju ka budućem razvoju sličnom onom koji doživljava dizajn integrisanih električnih kola u elektronika. Kao posledica toga, inženjeri će uskoro moći da dobiju potpuni pristup funkcionalnostima gorepomenutih elemenata ćelija i ponovo koriste ćelije i njihove karakteristike, bez potrebe za dubinskim poznavanjem biotehnologije. Jedna od najnovijih granica u sintetičkoj biologiji je razvoj veštačkih ćelija, omogućen, između ostalog, alatima iz nanotehnologije.

Veštačke ćelije imaju minimalne funkcionalnosti i strukturne komponente u poređenju sa prirodnim ćelijama, a sklapaju se odozdo prema gore inkapsulacijom neophodnih elemenata u biološke ili potpuno sintetičke membrane koje zatvaraju [7]. Veštačke ćelije stoga mogu da sadrže genetske informacije, srodne molekularne mašinerije za njihovu transkripciju, translaciju i replikaciju, i sve potrebne specijalizovane molekule i strukture. Od veštačkih ćelija se očekuje da omoguće agilniju i kontrolisaniju upotrebu sintetičkih bioloških kola tako što će ukloniti svu dodatnu složenost prirodnih ćelija koje nisu neophodne za obavljanje projektovanih funkcija.

Iako je još uvek u povojima , ova tehnologija je uspešno primenjena, na primer za isporuku lekova, gensku terapiju i proizvodnju veštačkih krvnih zrnaca, i očekuje se da će isporučiti idealne supstrate za sintetičku biologiju sa predvidljivijim ponašanjem. Iako veoma obećavajuće, pomenute tehnologije moraju da pruže rešenja za velike istraživačke izazove u biotehnologiji i inženjeringu pre nego što se smatraju pouzdanim alatima za realizaciju Bio-NanoThings. Fokusirajući se na stanovište inženjerskog dizajna, glavni izazov je razviti pouzdane matematičke i fizičke modele i okruženja za računarsku simulaciju, sposobna da uhvate posebne karakteristike bioloških procesa u osnovi projektovanih ćelija, kao što su intrinzične nelinearne pojave i procesi sa bučnim ishodima. . Štaviše, projektovane ćelije, slične prirodnim ćelijama, reprodukuju se i mutiraju, odnosno imaju tendenciju da nasumično menjaju delove svojih genetskih programa, i selektivno evoluiraju, odnosno teže da održavaju najbolje mutacije za svoj opstanak tokom reprodukcije, dodajući moguće probleme ali i nove stepene sloboda dizajneru biološkog uređaja.

Još jedan izazov koji treba razmotriti je vezan za bioetiku i bezbednost, budući da bi autonomno evoluirajući inženjering organizmi mogli da predstavljaju pretnju prirodnim ekosistemima, pa čak i da postanu novi patogeni. Nedavni razvoj „kill“ prekidača u biološka kola, koji mogu da zaustave reprodukciju ćelije ili pokrenu uništavanje ćelije po spoljnoj komandi, samo delimično rešava ove probleme.

U osnovi IoBNT koncepta postoji potreba da Bio-NanoThings komuniciraju jedni sa drugima i da komuniciraju na osnovu razmenjenih informacija. Pošto Bio-NanoThings potiču iz inženjeringa bioloških ćelija, kao što je gore navedeno, prirodno okruženje je glavna inspiracija za proučavanje komunikacionih tehnika za IoBNT.

MOLEKULARNA KOMUNIKACIJA U PRIRODI

U prirodi se razmena informacija između ćelija zasniva na sintezi, transformaciji, emisiji, razmnožavanju i prijemu molekula putem biohemijskih i fizičkih procesa. Ova razmena informacija, nedavno klasifikovana u telekomunikacijskom inženjerstvu kao MC [1], omogućava interakcije ćelija i koordinaciju jednoćelijskih i višećelijskih organizama, populacija i konzorcijuma više vrsta, i učestvuje u većini glavnih ćelijskih funkcionalnosti kao što su rast i proliferaciju ćelija.

MC u ćelijama se zasniva na gore pomenutim signalnim putevima, koji su lanci hemijskih reakcija koji obrađuju signale informacija modulisane u hemijske karakteristike, kao što su koncentracija molekula, tip i energetsko stanje, i propagiraju ih od izvora, ili predajnika, do odredišta. ili prijemnik [4]. Putevi ćelijske signalizacije mogu se klasifikovati na osnovu udaljenosti između izvora i odredišta na intrakrine (izvor i odredište su unutar iste ćelije), jukstrakrine (izvor i odredište su ćelije u kontaktu jedna sa drugom), parakrine (izvor i odredište su u blizina jedni drugih, ali nisu u kontaktu), ili endokrini (izvor i odredište su udaljeni jedno od drugog).

Primer intrakrine komunikacije je dat intracelularnim transportom molekula ili molekulskih struktura kojima upravljaju citoskeletni molekularni motori. Molekularni motori su intracelularni specijalizovani proteini koji mogu da pretvore pomenute molekule ATP-a u mehaničku energiju. Molekularni motori citoskeleta su u stanju da se vežu za određeni teret, kao što su vezikule koje obuhvataju skupove molekula, ili organele celih ćelija, prikače se za strukture mikrofilamenta koje čine skelet ćelije i puze duž njih prenoseći teret od jezgra do membrane. ćelije i obrnuto.

Razmena molekula, kao što su joni kalcijuma Ca2+, između dve ćelije povezane komunikacionim spojevima u njihovoj membrani je primer jukstakrine komunikacije. Nekoliko primera u prirodi, kao što je signalizacija tokom srčane kontrakcije koja se dešava između mišićnih ćelija, ili miocita, pokazuje kako mala količina molekula može da teče difuzijom između susednih ćelija i da bude odgovorna za sinhronizaciju koordinisanih akcija.

Bakterije pokazuju nekoliko načina komunikacije u prirodi, kao što je parakrina komunikacija koja leži u osnovi emisije signalnih molekula koje članovi populacije nazivaju autoinduktori. U ovom procesu, koji se naziva sensing bakterijskog kvoruma, autoinduktori se difunduju unutar međućelijskog prostora i, nakon prijema, omogućavaju bakterijama da procene gustinu populacije i imaju korelirani odgovor, kao što je proizvodnja specifičnih vrsta proteina. Bakterije takođe mogu da razmenjuju specifične DNK molekule, odnosno plazmide, putem direktnog kontakta, kroz proces koji se zove konjugacija, i prenose plazmide do drugih udaljenih bakterija unutar međućelijskog prostora plivajući po hemijskim tragovima, procesom koji se zove hemotaksija.

U višećelijskim organizmima, primer endokrine komunikacije se ostvaruje preko signalnih molekula zvanih hormoni koji se emituju iz ćelija koje čine žlezde, propagiraju se kroz cirkulatorni sistem, a primaju ih ćelije udaljenih organa, gde izazivaju specifične odgovore, kao što je povećanje ćelija rast i razmnožavanje.

IZAZOVI U INŽENjERSTVU MOLEKULARNE KOMUNIKACIJE ZA IOBNT

U okviru IoBNT-a, od Bio-NanoThingsa se očekuje da međusobno komuniciraju razmenom različitih tipova informacija, npr. sinhronizacionih signala, vrednosti sensiranih hemijskih/fizičkih parametara, rezultata logičkih operacija i skupova instrukcija i komandi. Inženjering komunikacionih tehnika za podržavanje ovih interakcija u biološkom okruženju mora da proizilazi iz rešenja koja se nalaze u prirodi, kao što su ona gore opisana.

Jedan od najvećih izazova je razumeti kako se ova prirodna rešenja mogu kontrolisati, modifikovati ili reinžinjering za prenos informacija koje se mogu razlikovati od prirodnih. Polazeći od gore pomenutih alata koji se razvijaju u sintetičkoj biologiji i nanotehnologiji, inženjeri su nedavno počeli da analiziraju nekoliko različitih mogućnosti za realizaciju MC sistema, bilo genetskim reprogramiranjem ponašanja ćelija u okviru njihovih prirodnih komunikacija [8], ili razvojem potpuno novih veštačkih komunikacionih sistema sklapanjem prirodnih bioloških komponenti [9].

Primeri MC sistema koji su do sada zamišljeni mogu se klasifikovati na osnovu opsega udaljenosti koju se očekuje da pokriju od prenosa do prijema. Na primer, kontrola jukstrakrinih komunikacija putem genetskog programiranja bioloških ćelija može omogućiti inženjering mreža u kojima su Bio-NanoThings u kontaktu jedna sa drugom, na primer kada su organizovane u tkivu ili biofilmu [10]. Ova MC tehnika, koja se obično naziva prethodno pomenutom izmenom Ca2+, prikazana na slici 2a, pokriva rastojanja proporcionalna debljini ćelijskih membrana i može se smatrati MC veoma kratkog dometa (desetine do stotine nm). Gore pomenuti citoskeletni molekularni motori mogu se uzeti u obzir za realizaciju MC u kratkom opsegu (nm-mm) [11], kao što je prikazano na slici 2b, da bi se pokrile intrakrine komunikacije Bio-NanoThings.

Komunikacioni inženjeri su takođe kombinovali modele procesa bakterijske konjugacije i hemotakse opisanih iznad da bi teoretski proučavali mogući veštački MC sistem, koji se, prema poznatim karakteristikama hemotakse, može smatrati da pokriva srednji opseg (mm-mm) [9]. Konkretno, informacije su predstavljene u molekule DNK, odnosno plazmide, koji se ubacuju na lokaciju predajnika u bakterije i ekstrahuju iz iste bakterije na prijemniku kroz proces konjugacije.

Ove bakterije su sposobne da plivaju hemotaksom ka prijemniku, prateći oslobađanje specifičnih molekula, odnosno hemoatraktanata, kao što je prikazano na slici 2c. Primer MC sistema velikog dometa (mm-m) je zamišljen na osnovu hormonske komunikacije unutar ljudskog endokrinog sistema [12], kao što je prikazano na slici 2d. Iz perspektive telekomunikacijskog inženjerstva, jedan od glavnih izazova je mapiranje MC u klasične elemente projektovanog komunikacionog sistema, kao i korišćenje alata iz teorije sistema i informacija sa konačnim ciljevima modeliranja i analize glavnih telekomunikacionih karakteristika i performansi. , kao što su opseg, kašnjenje (latencija), kapacitet, propusnost i stopa greške u bitovima [13].

Poznavanje ovih karakteristika će onda omogućiti poređenje i klasifikaciju mogućih različitih tehnika za realizaciju MC za različite scenarije IoBNT primene, kao i optimizaciju njihovog dizajna i realizacije. Primeri gore pomenutog mapiranja prikazani su na Slici 3, gde su glavni procesi uključeni u svaki MC sistem opisan gore podeljeni na komunikacione elemente na sledeći način. Kodiranje i dekodiranje su povezani sa načinom na koji se informacije koje se prenose predstavljaju u jednoj ili više karakteristika molekula, kao što su skupovi određenih tipova i brojeva molekula (molekularni motori i hormonska komunikacija), sastav bioloških makromolekula, kao što su DNK plazmidi (konjugacija bakterija, hemotaksija ), ili koncentracija oslobođenog molekula (razmena Ca2+).

Prenos i prijem uključuju hemijske i fizičke procese za pokretanje širenja molekula, npr. inkapsulaciju u vezikule za molekularni motorni transport, oslobađanje molekula u tečnosti, kao što je krvotok, ili kroz spoj između dve susedne ćelije, ili oslobađanje bakterija pri prisustvu molekula hemoatraktanta u okolini.

Konačno, propagacija se bavi mobilizacijom molekula koji nose informacije od lokacije odašiljača do prijemnika, kao što je molekularni motor koji puzi duž mikrofilamentnih struktura, difuzija kroz membranske spojeve, difuzija i advekcija u krvotoku i bakterijska hemotaksija prema izvoru hemoatraktanta (prijemniku).

Dok je velika količina literature u oblasti MC posvećena modeliranju i analizi gorepomenutih sistema putem pojednostavljivanja pretpostavki, koje povećavaju matematičku fleksibilnost osnovnih fizičkih i hemijskih fenomena, još je dug put koji treba preći za komunikacioni inženjer da u potpunosti razume kako da dizajnira realistične MC sisteme za IoBNT komunikacije.

Glavni izazovi predstavljaju konverzija ovih pojednostavljenih modela u realističnije scenarije. Na primer, modeli slobodne difuzije koji su do sada razmatrani u MC inženjeringu za propagaciju i reakciju molekula u unutarćelijskom okruženju, npr. u Ca2+ komunikaciji, moraju biti revidirani kako bi uključili realističnije pojave, kao što je efekat visokih koncentracija makromolekula, npr. proteini, koji se nazivaju makromolekularna gužva. Drugi primer daje endokrino razmnožavanje, do sada razmatrano za malu podskupinu dobro definisanih krvnih sudova, gde modeli treba da uzmu u obzir ne samo celokupnu prosečnu fiziologiju ljudskog kardiovaskularnog sistema, već i da specifične karakteristike svakog pojedinca može rezultirati veoma različitom dinamikom širenja.

Takođe, modeli hemotakse bakterija koji su do sada korišćeni u MC inženjeringu zasnovani su samo na ponašanju i svojstvima pojedinačnih bakterija i in-vitro okruženja, gde su u stvari realnija okruženja, kao što je unutar ljudskog tela, i činjenica da bakterije mogu treba uzeti u obzir da se repliciraju i razmnožavaju dinamički i interaguju u okviru konzorcijuma više vrsta. Druge izazove za razvoj pouzdanih analitičkih alata za MC inženjering daje nelinearna priroda mnogih biohemijskih fenomena i prisustvo veoma različitih izvora buke, kao što su genetske mutacije, u poređenju sa klasičnim sistemima.

BIO-NANOTHING MREŽE I INTERNET

U okviru IoBNT-a, očekuje se da Bio-NanoThings ne samo da komuniciraju jedni sa drugima, već i da komuniciraju u mrežama, koje će na kraju imati interfejs sa Internetom. U tom cilju, definicija mrežnih arhitektura i protokola na vrhu gore pomenutih MC sistema je suštinski korak za razvoj IoBNT-a. Dalji izazov za IoBNT je međusobno povezivanje heterogenih mreža, tj. sastavljenih od različitih tipova Bio-NanoThings-a i zasnovanih na različitim MC sistemima.

Konačno, realizacija interfejsa između električnog domena Interneta i biohemijskog domena IoBNT mreža biće krajnja granica za stvaranje besprekorne međusobne veze između današnjeg sajber sveta i biološkog okruženja. Na Slici 4 prikazujemo mogući scenario gde je kompletan IoBNT, sastavljen od nekoliko mreža zasnovanih na različitim MC sistemima, raspoređen unutar ljudskog tela i povezuje se preko ličnog električnog uređaja povezanog na Internet da bi isporučio parametre statusa unutar tela ( i primaju komande i uputstva) do (od) pružaoca zdravstvenih usluga.

IZAZOVI ZA OSTVARIVANjE BIO-NANOTHING MREŽA

Dok je inženjering računarskih mreža dobro uspostavljena oblast, gde je obezbeđeno nekoliko različitih rešenja za mnoge različite tehnologije i scenarije primene, projektovanje mreža unutar biološkog okruženja, a zasnovano na MC paradigmi kao fizičkom medijumu, predstavlja novo izazovi za zajednicu umrežavanja. Na primer, molekularne informacije generalno ne prate predvidljive i određene pravce širenja, kao što inače rade elektromagnetni signali u klasičnim komunikacijama [13].

Difuzija molekula, bakterijska hemotaksa i filamenti koji podržavaju molekularne motore imaju tendenciju da pokriju nasumične obrasce između izvora i odredišta. Ove i druge osobenosti, kao što je nelinearna priroda mnogih biohemijskih fenomena, čine posebno izazovnim korišćenje klasičnih tehnika za regulisanje pristupa Bio-NanoThings-a zajedničkim medijima, kao što su tečnosti, adresiranje Bio-NanoThings-a i dizajniranje mehanizama za usmeravanje informacija, koji su važni osnovni aspekti računarskih mreža.

Kao što je urađeno za MC sisteme, jedno od mogućih rešenja će biti modeliranje, analiza i ponovno korišćenje mehanizama interakcija više ćelija u prirodi, kao što su bakterijske populacije [14] i konzorcijumi više vrsta, ili unutar tkiva višećelijskih organizama. , da prenese IoBNT informacije.

U tom pravcu, rešenje za međusobnu povezanost heterogenih Bio-NanoThing mreža, zasnovano na različitim MC sistemima, takođe može doći iz prirodnog načina na koji naše telo upravlja i spaja nekoliko vrsta informacija da bi održalo stabilan, zdrav status ili homeostazu [ 4]. Ovi procesi unutar tela omogućavaju da se heterogene komunikacije dešavaju na različitim razmerama, prevodeći od intrakrinih komunikacija unutar ćelije, do jukstakrine komunikacije unutar tkiva, do endokrinih komunikacija između različitih organa. Na primer, ćelije hipofize vrše ovu vrstu translacije tako što oslobađaju hormone u organe tela da kontrolišu nekoliko procesa, kao što su rast, krvni pritisak, temperatura i obrasci spavanja, kao rezultat prijema drugih hormona iz ćelija. susednog hipotalamusa.

Biološka kola zasnovana na ovim procesima mogu efikasno da obezbede skup genetskih instrukcija koje oponašaju klasične kapije između različitih podmreža na Internetu. Slika 5a ilustruje opšti primer veštačke ćelije koja prevodi informacije kodirane u molekule koje emituju projektovane bakterije u hormone koji se mogu izlučiti u cirkulatorni sistem.

U ovom dizajnu, receptori bi presreli dolazne molekule koji bi, kroz kaskadu hemijskih reakcija, aktivirali biološki krug, koji bi zauzvrat sintetizovao proteine koji bi mogli da pokrenu neophodne hemijske reakcije za proizvodnju hormona.

IZAZOVI ZA BIO-SAJBER INTERFEJSE

Bio-sajber interfejs je ovde definisan kao skup procesa neophodnih za prevođenje informacija iz biohemijskog domena Bio-NanoThing mreža u internet sajber-domen, koji se zasniva na električnim kolima i elektromagnetnim komunikacijama, i obrnuto. Jedan od glavnih izazova za realizaciju ovih interfejsa je u inženjeringu hemijskih i fizičkih procesa koji su u stanju da precizno očitaju karakteristike molekula gde su informacije kodirane i prevedu ih u modulaciju elektromagnetnih parametara. Moguće rešenje u ovom pravcu moglo bi doći od novih hemijskih i bioloških senzora omogućenih nanotehnologijom, koji obećavaju neviđene mogućnosti senzora [15].

Ovi senzori su generalno sastavljeni od materijala koje karakterišu električna ili elektromagnetna svojstva koja se mogu promeniti prisustvom određenih molekula ili molekulskih kompleksa, kao što su biološki receptori vezani za molekule, i shodno tome modulišu struju u električnom kolu. Glavni problemi za korišćenje ove senzorske tehnologije za IoBNT aplikacije su u njihovoj trenutno velikoj latenciji, niskoj selektivnosti, nedostatku standardizovanog odgovora i, što je još važnije, nepoznatoj biokompatibilnosti, koja se razmatra sledeće. Biokompatibilnost, ovde zamišljena kao svojstvo projektovanog sistema ograničavanja njegovog delovanja na biološko okruženje isključivo na njegovu predviđenu funkciju, bez ikakvih neželjenih promena bioloških parametara, predstavlja još jedan izazov za primenu bio-sajber interfejsa, posebno za unutar-telo IoBNT aplikacije kao što je prikazano na slici 4. S obzirom na ograničenu veličinu gore pomenutih nanosenzora i trenutne obećavajuće rezultate istraživanja u elektromagnetnim (EM) nanokomunikacijama, predviđamo mogućnost razvoja bio-sajber interfejsa inkapsulacijom bioloških nanosenzora i EM nanokomunikacionih jedinica unutar gore pomenute veštačke ćelije, kao što je prikazano na slici 5b.

U ovom dizajnu, biološki nanosenzor bi bio odgovoran za povezivanje hemijskih i električnih domena, EM nano-komunikacijska jedinica bi bežično komunicirala sa električnim uređajima izvan biološkog okruženja, a veštačka ćelija bi obezbedila biokompatibilnost. Međutim, izazov leži u sposobnosti da proizvede dovoljnu snagu za bežični predajnik da emituje elektromagnetne talase koji se mogu širiti kroz veštačku ćelijsku membranu.

Istovremeno, potrebni su i pristupi za prikupljanje energije za jedinicu predajnika iz ćelije. Druga alternativa je guranje električnog/EM domena na fizičkom interfejsu između biološkog okruženja i spoljašnjeg sveta, kao što je koža za aplikacije IoBNT unutar tela. U tom pravcu, elektronske tetovaže, slične onima koje se zasnivaju na tehnologiji radio-frekventne identifikacije (RFID), koje omogućavaju korisnicima da autentifikuju uređaje u neposrednoj blizini, mogle bi da sadrže bio-sajber interfejs koji može da oseti biohemijske informacije iz ćelija na epidermisu, znojnih žlezda ili nervnih završetaka i bežično komuniciraju sa obližnjim spoljnim elektronskim uređajima.

DALjI IZAZOVI

Sada ukratko pominjemo neke dalje izazove sa kojima se treba suočiti za razvoj IoBNT-a. Tehnologije koje omogućavaju IoBNT o kojima se govori u ovom članku mogu predstavljati ozbiljne bezbednosne pretnje ako se njima rukuje sa zlonamernom namerom. Nova vrsta terorizma, koju nazivamo bio-sajber terorizmom, mogla bi efikasno da iskoristi brojne mogućnosti koje nudi IoBNT za kontrolu i interakciju sa biološkim okruženjem.

Na primer, Bio-NanoThings se može koristiti za pristup ljudskom telu, ili krađu ličnih zdravstvenih informacija, ili čak stvaranje novih bolesti. Štaviše, novi tipovi virusa bi mogli da se naprave za hakovanje u već primenjene IoBNT-ove.

Istraživanja u oblasti IoBNT-a nužno bi trebalo da se pozabave ovim problemima kombinovanjem metoda obezbeđenja bezbednosti koje se primenjuju na današnje računarske mreže sa bezbednosnim rešenjima koja su razvijena kroz evoluciju po prirodi, kao što je ljudski imuni sistem. Realizacija tehnika lokalizacije i praćenja unutar IoBNT-a, na sličan način kao što je to realizovano u bežičnim senzorskim mrežama (VSN), mogla bi da omogući značajne aplikacije vezane, na primer, za praćenje lokacija bolesti u telu ili identifikaciju lokacije i distribucije. toksičnih agenasa u okruženju.

Jedno rešenje bi moglo da dođe od inženjeringa hemotakse u Bio-NanoThings-u, zasnovano na prethodno pomenutoj sposobnosti bakterija da lokalizuju i prate izvore određenih tipova molekula, koji mogu biti, na primer, biomarkeri koje oslobađaju kancerogene ili inficirane ćelije. U skladu sa vizijom „povezanih svih stvari“, krajnji cilj je međusobno povezivanje paradigmi IoBNT-a i IoNT-a sa IoT-om.

Izazov ugradnje uređaja nanorazmera je velika količina informacija koja će se pojaviti, podižući izazove upravljanja „velikim podacima“ na novi nivo. Pored povećanja količine podataka, nove usluge će morati da budu dizajnirane da semantički mapiraju različite tipove podataka koje će IoBNT i IoNT hraniti u IoT. Nova rešenja za otkrivanje usluga će takođe biti potrebna za pretraživanje duboko u biološkom okruženju i interakciju sa projektovanim biološkim entitetima da bi aktivirali ili prikupili informacije.

Disciplina sintetičke biologije pruža alate za kontrolu, ponovnu upotrebu, modifikaciju i reinženjering ćelija, omogućavajući inženjerima da koriste biološke ćelije kao programabilne supstrate za realizaciju Bio-NanoThings-a, biološki integrisanih računarskih uređaja. Sekvenciranje i sinteza DNK omogućavaju čitanje i pisanje informacija u genetskom kodu, dajući inženjerima sve veći pristup strukturnim i funkcionalnim uputstvima života.

Inženjering sintetičkih bioloških kola kroz manipulaciju genetskim kodom omogućio je programiranje specifičnih funkcija u ćelijama. Biološko kolo se sastoji od gena koji kodiraju proteine i regulatornih sekvenci, omogućavajući sintezu proteina kroz mehanizme međusobne aktivacije i represije. Današnje biološke funkcije uključuju logičke kapije, oscilatore, prekidače i brojače. Razvoj baza podataka sa standardnim biološkim delovima, poput BioBricks-a, i alata za njihovo kombinovanje, pomera sintetičku biologiju prema modelu dizajna integrisanih kola u elektronici. Ovo će inženjerima omogućiti potpunu kontrolu nad ćelijskim funkcionalnostima bez potrebe za dubokim poznavanjem biotehnologije.

Jedna od najnovijih granica u sintetičkoj biologiji je razvoj veštačkih ćelija, uz pomoć alata iz nanotehnologije. Ove ćelije imaju minimalne funkcionalnosti u poređenju sa prirodnim, sklapajući se odozdo prema gore inkapsulacijom potrebnih elemenata u sintetičke membrane. Veštačke ćelije mogu sadržati genetske informacije, molekularne mašinerije za transkripciju, translaciju i replikaciju, omogućavajući kontrolisaniju upotrebu sintetičkih bioloških kola.

Iako je ova tehnologija još u povojima, već je primenjena u isporuci lekova, genskoj terapiji i proizvodnji veštačkih krvnih zrnaca, i obećava predvidljivije ponašanje u sintetičkoj biologiji. Ipak, tehnologije moraju rešiti značajne izazove pre nego što postanu pouzdani alati za Bio-NanoThings. Ključni izazov je razviti pouzdane matematičke i fizičke modele koji mogu da obuhvate specifičnosti bioloških procesa, kao što su nelinearne pojave i bučni ishodi.

Još jedan važan izazov je bioetika i bezbednost, budući da autonomno evoluirajući inženjering organizmi mogu predstavljati pretnju prirodnim ekosistemima ili postati novi patogeni. Razvoj „kill“ prekidača u biološkim kolima, koji mogu zaustaviti reprodukciju ćelije ili pokrenuti njeno uništenje, samo delimično rešava ove probleme.

U osnovi IoBNT koncepta postoji potreba da Bio-NanoThings međusobno komuniciraju. Pošto potiču iz inženjeringa bioloških ćelija, prirodno okruženje je glavna inspiracija za proučavanje komunikacionih tehnika za IoBNT. U prirodi, ćelije razmenjuju informacije putem sinteze, transformacije, emisije, razmnožavanja i prijema molekula kroz biohemijske i fizičke procese. Ova razmena informacija omogućava interakcije ćelija i koordinaciju organizama, populacija i konzorcijuma više vrsta, i učestvuje u glavnim ćelijskim funkcijama, kao što su rast i proliferacija.

Jedan od najvećih izazova je razumevanje kako se ova prirodna rešenja mogu kontrolisati i modifikovati za prenos informacija. Inženjeri već istražuju mogućnosti realizacije MC sistema, bilo genetskim reprogramiranjem ćelija u okviru njihovih prirodnih komunikacija, ili razvojem novih veštačkih komunikacionih sistema. Primeri MC sistema klasifikuju se prema udaljenosti između predajnika i prijemnika, uključujući jukstrakrine komunikacije u ćelijskim membranama i hormonsku komunikaciju u ljudskom endokrinom sistemu.

Ključni izazovi u inženjeringu MC sistema uključuju modeliranje, analizu i ponovno korišćenje mehanizama interakcija u prirodi, kako bi se preneo IoBNT informacije. Izazovi za razvoj pouzdanih MC sistema su kompleksni i zahtevaju rešenja koja uključuju i biološke i inženjerske aspekte.

LITERATURA

• I. F. Akyildiz and J. M. Jornet, “The Internet of Nano-Things,” IEEE Wireless Commun., vol. 17, no. 6, Dec.2010, pp. 58–63.
• L. J. Kahl and D. Endy, “A Survey of Enabling Technologies in Synthetic Biology,” J. Biological Engineering, vol. 7, no. 1, May 2013, p. 13.
• I. F. Akyildiz, F. Brunetti, and C. Blazquez, “Nanonetworks: A New Communication Paradigm,” Computer Networks, vol. 52, no. 12, Aug. 2008, pp. 2260–79.
• D. L. Nelson and M. M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, W. H. Freeman, 2005, pp. 425–29.
• C. J. Myers, Engineering Genetic Circuits, Chapman & Hall/CRC, Mathematical and Computational Biology Series, 2009.
• D. Baker et al., Engineering Life: Building A Fab for Biology, Scientific American, vol. 294, no. 6, June 2006, pp. 44–51.
• F. Wu and C. Tan, “The Engineering of artificial Cellular Nanosystems Using Synthetic Biology Approaches,” WIREs Nanomedicine and Nanobiotech, vol. 6, no. 4, July/Aug. 2014.
• M. Pierobon,“A Systems-Theoretic Model of a Biological Circuit for Molecular Communication in Nanonetworks,” Nano Communication Networks (Elsevier), vol. 5, no. 1–2, Mar.–June 2014, pp. 25–34.
• M. Gregori and I. F. Akyildiz, “A New NanoNetwork Architecture using Flagellated Bacteria and Catalytic Nanomotors,” IEEE JSAC, vol. 28, no. 4, May 2010, pp. 612–19.
• M. Barros et al., “Transmission Protocols for Calcium-Signaling-based Molecular Communications in Deformable Cellular Tissue,” IEEE Trans. Nanotechnology, vol. 13, no. 4, May 2014, pp. 779–88.
• M. J. Moore, T. Suda, and K. Oiwa, “Molecular Communication: Modeling Noise Effects on Information Rate,” IEEE Trans. Nanobioscience, vol. 8, no. 2, June 2009, pp. 169–80.
• Y. Chahibi et al., “A Molecular Communication System Model for Particulate Drug Delivery Systems,” IEEE Trans. Biomedical Engineering, vol. 60, no. 12, 2013, pp. 3468–83.
• M. Pierobon and I. F. Akyildiz, “Fundamentals of Diffusion-Based Molecular Communication in Nanonetworks,” Now Publishers Inc, ISBN-10: 1601988168, ISBN-13: 978- 1601988164, Apr. 2014, 164 pages.
• I. F. Akyildiz et al., “MoNaCo: Fundamentals of Molecular Nano-Communication Networks,” IEEE Wireless Commun. Mag., vol. 19, no. 5, Oct. 2012, pp. 12–18.
• C. R. Yonzon et al., “Towards Advanced Chemical and Biological Nanosensors – An Overview,” Talanta, vol. 67, no. 3, Sept. 2005, pp. 438–48.

NultaTačka/ActivistPost