Сначала был Интернет вещей (IoT), затем Интернет тел (IoB), Интернет всего (IoE) и, наконец, Большая Фармацевтика и военные ныряют в вашу кровь, чтобы построить Интернет био-нанотехнологий. вещи (ИоБНТ). Возможно, вы надеялись на Интернет из ничего, но вместо этого вы получаете Интернет Skynet Universal (IoUS). Эта статья от марта 2015 года представляет собой введение, понятное каждому, включая вас. IoBNT — это последний строительный блок сети наблюдения, которая соединяет все живые существа от биохимической области до электрической области Интернета.
Когда вы получали инъекционную мРНК от Pfizer или Moderna, вас не предупреждали, что в ваши вены вводят нанотехнологии такого типа. Ни слова от правительства, крупных фармацевтических компаний или военных. Никакого информированного согласия не было предложено. Непрекращающаяся пропаганда провозглашала: «Безопасно и эффективно».
Технократия буквально готова завоевать человечество, в то время как люди понятия не имеют, что против них ведется война. Это темаОМНИВАР: СИМПОЗИУМ, 21 сентября. Я буду участвовать с Кэтрин Остин Фиттс, Дэвидом Хьюзом, Дэниелом Броуди и Лиссой Джонсон. Это бесплатно, но лучше ответить на звонок, чтобы получить уведомление. Это первая глобальная прямая трансляция, которая охватит все уголки мира. Вы понимаете, почему я прошу кричать об этом с крыш? - Патрик Вуд, главный редактор Technocracy News & Trends
Пар: Акылдиз, Пьеробон и др. через журнал IEEE Communications
IoBNT представляет собой концепцию, меняющую парадигму связи и сетевой инженерии, в которой решаются новые задачи по разработке эффективных и безопасных методов обмена информацией, взаимодействия и создания сетей в биохимической области, обеспечивая при этом интерфейс с электрической областью Интернета.
Резюме
Интернет вещей (IoT) стал важной темой исследований за последнее десятилетие, при этом IoT относится к взаимосвязанным машинам и объектам со встроенными вычислительными возможностями, используемыми для расширения Интернета во многих областях приложений. Несмотря на то, что исследования и разработки обычных устройств Интернета вещей продолжаются, существует множество областей применения, где необходимы крошечные, скрытые и ненавязчивые объекты.
Свойства недавно изученных наноматериалов, таких как графен, вдохновили концепцию Интернета нановещей (IoNT), основанную на взаимосвязи наноразмерных устройств. Несмотря на то, что искусственная природа устройств IoNT позволяет использовать множество приложений, она может быть вредной, поскольку внедрение NanoThings потенциально может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья или загрязнения. Новая парадигма Интернета бионановещей (IoBNT) представлена в этой статье путем использования инструментов синтетической биологии и нанотехнологий, которые позволяют создавать интегрированные биологические вычислительные устройства.
Основанные на биологических клетках и их функциях в биохимической области, Bio-Nano-Things обещают сделать возможным применение таких приложений, как сенсорные и исполнительные сети внутри тела, а также экологический контроль токсичных агентов и загрязнений. IoBNT представляет собой концепцию, меняющую парадигму связи и сетевой инженерии, в которой решаются новые задачи по разработке эффективных и безопасных методов обмена информацией, взаимодействия и создания сетей в биохимической области, обеспечивая при этом интерфейс с электрической областью Интернета.
Введение
Интернет вещей (IoT) определяет киберфизическую парадигму, в которой все типы физических элементов реального мира (датчики, исполнительные механизмы, персональные электронные устройства или бытовая техника и т. д.) связаны и способны автономно взаимодействовать друг с другом. друг друга. Эта новая форма бесшовного подключения является движущей силой многих приложений, таких как межмашинная связь, мониторинг промышленных процессов в реальном времени, умные города, интеллектуальные сети для управления энергопотреблением, интеллектуальный транспорт, мониторинг окружающей среды, управление инфраструктурой, медицина. и системы здравоохранения, автоматизация зданий и дома, а также крупномасштабное внедрение. Интернет вещей стал предметом исследований и разработок за последние 15 лет. Правительственные учреждения и промышленность по всему миру инвестировали и продолжают вкладывать значительные средства в Интернет вещей.
Недавно концепция Интернета вещей была пересмотрена в свете новых научных достижений в области нанотехнологий и коммуникационной техники, которые позволяют разрабатывать сети интегрированных вычислительных устройств на основе наноматериалов, таких как графен или метаматериалы, в масштабах от одного до несколько сотен нанометров, называемые нановещями. Интернет нановещей (IoNT), впервые представленный в [1], предлагается в качестве основы для многих будущих приложений, особенно в военной сфере, здравоохранении и безопасности, где нановещи, благодаря их ограниченному размеру, могут быть легко скрыть, внедрить и распространить в окружающей среде, где они могут сотрудничать в обнаружении, активации, обработке и создании сетей.
Хотя нановещи могут подтолкнуть разработку устройств и систем к беспрецедентным средам и масштабам, они, как и другие устройства, имеют искусственную природу, поскольку основаны на синтезированных материалах, электронных схемах и взаимодействуют посредством электромагнитной (ЭМ) связи [1]. Эти характеристики могут быть вредными для определенных сред применения, например, внутри тела или природных экосистем, где размещение нановещей и их электромагнитного излучения может иметь неблагоприятные последствия для здоровья или загрязнения.
Новое направление исследований в области разработки наноразмерных устройств и систем развивается в области биологии, сочетая нанотехнологии с инструментами синтетической биологии для контроля, повторного использования, модификации и реорганизации биологических клеток [2]. Если исходить из аналогии между биологической клеткой и встроенным вычислительным устройством, типичным для Интернета вещей, клетку можно эффективно использовать в качестве субстрата для создания так называемой био-нано-вещи благодаря функциям контроля, повторного использования и реинжиниринга. биологических клеток, таких как чувствительность, активация, обработка данных и коммуникация.
Поскольку клетки основаны на биологических молекулах и биохимических реакциях, а не на электронике, концепция Интернета био-нано-вещей (IoBNT), представленная в этой статье, как ожидается, станет сдвигом парадигмы для многих смежных дисциплин, таких как коммуникации и сетевое проектирование, которому посвящена данная статья. Выполнение инструкций на основе ДНК, обработка биохимических данных, преобразование химической энергии и обмен информацией посредством передачи и приема молекул, называемые молекулярной связью (СМ) [3], лежат в основе множества приложений, которые станут возможными. от IoBNT, например:
- Внутрикорпоральное зондирование и приведение в действие, когда био-нано-вещи внутри человеческого тела будут совместно собирать информацию, связанную со здоровьем, передавать ее внешнему поставщику медицинских услуг через Интернет и выполнять заказы от одного и того же поставщика, такие как синтез лекарств и выпускать.
- Контроль связей внутри тела, где бионановещи восстанавливают или предотвращают сбои в коммуникациях между нашими внутренними органами, например, эндокринной и нервной системами, которые лежат в основе многих заболеваний.
- Мониторинг и очистка окружающей среды, где Bio-NanoThings, развернутые в окружающей среде, например, в естественной экосистеме, будут проверять наличие токсичных агентов и загрязняющих веществ и совместно преобразовывать эти агенты посредством биоремедиации, например, бактерий, используемых для очистки разливов нефти.
Эта статья организована следующим образом. Во-первых, бионановещи определяются в свете инструментов, доступных сегодня в области синтетической биологии и нанотехнологий. Далее подробно описывается применение коммуникационной инженерии для телекоммуникационного проектирования био-нано-вещей, а также обсуждаются проблемы проектирования сетей био-нано-вещей и подключений к Интернету. В-третьих, мы описываем дальнейшие исследовательские задачи по реализации IoBNT. Наконец, завершаем статью.
Бионано-вещи
В рамках IoBNT бионановещи определяются как однозначно идентифицируемые базовые структурные и функциональные единицы, которые действуют и взаимодействуют в биологической среде. Ожидается, что бионановещи, полученные из биологических клеток и созданные с помощью синтетической биологии и нанотехнологий, будут выполнять задачи и функции, типичные для вычислительных устройств, встроенных в Интернет вещей, такие как распознавание, обработка, приведение в действие и взаимодействие между ними.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ КЛЕТКИ КАК СУБСТРАТЫ ДЛЯ БИОНАННИЧЕЙ
Биологическая клетка — это основная единица жизни, состоящая из мембраны, заключающей в себе смесь узкоспециализированных молекул с определенным химическим составом и функцией, которые также могут быть организованы в функциональные структуры [4]. Соответствие между компонентами типичного встроенного вычислительного устройства Интернета вещей и элементами клетки становится очевидным, если сравнить распространение электронов в полупроводниках с функционально схожими, хотя и гораздо более сложными биохимическими реакциями. В этом контексте, как показано на рисунке 1, вот несколько примеров.
Блок управления, который содержит встроенное программное обеспечение устройства, будет соответствовать генетическим инструкциям, плотно упакованным в молекулы ДНК клеток, которые кодируют белковые структуры, клеточные «единицы данных» и регуляторные последовательности, аналогичные условным выражениям программного обеспечения.
Блок памяти, который содержит значения данных интегрированной системы, будет соответствовать химическому содержимому цитоплазмы, то есть внутренней части клетки, состоящей из молекул, синтезируемых клеткой в соответствии с инструкциями ДНК, и d другие молекулы или структуры, например везикулы, обмениваются с внешней средой.
Блок обработки, который выполняет инструкции программного обеспечения и управляет памятью и периферийными устройствами, будет соответствовать молекулярному механизму, который из молекул ДНК посредством транскрипции и трансляции генерирует молекулы белка, тип и концентрация которых зависят от инструкций.
Силовой агрегат, обеспечивающий энергию, необходимую для поддержания электрических токов в цепях встроенной системы, соответствовал бы резервуару в клетке молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которая синтезируется клеткой из энергии, обеспечиваемой внешней средой в различных формах и который обеспечивает энергию, необходимую для протекания биохимических реакций в клетке.
Трансиверы, которые позволяют интегрированным системам обмениваться информацией, будут соответствовать определенным цепочкам химических реакций, то есть сигнальным путям, по которым клетки обмениваются молекулами, несущими информацию.
Обнаружение и срабатывание, которые позволяют интегрированным системам получать данные и взаимодействовать с окружающей средой, будут соответствовать способности клетки химически распознавать внешние молекулы или физические стимулы, например, свет или механический стресс, а также изменять химические характеристики окружающей среды или механически взаимодействовать. через подвижные элементы, такие как жгутики, пили или реснички.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОБЛЕМЫ
Дисциплина синтетической биологии предоставляет инструменты для контроля, повторного использования, модификации и реорганизации структуры и функций клеток, и она должна позволить инженерам эффективно использовать биологические клетки в качестве программируемых субстратов для реализации бионановещей в качестве интегрированных биологических вычислительных устройств [2]. ]. Технологии секвенирования и синтеза ДНК, позволяющие читать и записывать информацию генетического кода в молекулах ДНК биологических клеток, открывают инженерам все более открытый доступ ко всему спектру структурных и функциональных инструкций, лежащих в основе жизни.
В частности, разработка синтетических биологических схем [5] посредством манипулирования генетическим кодом позволила программировать функции, специально предназначенные для выполнения клетками. Биологическая цепь — это набор генов, кодирующих белки и регуляторные последовательности, которые связывают синтез белков посредством механизмов взаимной активации и репрессии. Сегодня функции, успешно разрабатываемые биологическими схемами, варьируются от логических элементов «И» и «ИЛИ» до различных типов регулируемых генераторов, тумблеров и счетчиков. Разработка баз данных, содержащих охарактеризованные стандартные элементы биологических схем с известными функциями и поведением, например BioBricks, и инструментов для их объединения для получения более сложных конструкций [6], подталкивает синтетическую биологию к будущему развитию, аналогичному тому, которое происходит при проектировании интегральные электрические схемы в электронике. В результате инженеры вскоре смогут полностью получить доступ к функциональности вышеупомянутых клеточных элементов и повторно использовать клетки и их характеристики без необходимости глубоких знаний биотехнологии. Одним из последних рубежей синтетической биологии является разработка искусственных клеток, ставшая возможной, среди прочего, благодаря инструментам нанотехнологий.
Искусственные клетки имеют минимальные функциональные возможности и структурные компоненты по сравнению с природными клетками и собираются снизу вверх путем инкапсуляции необходимых элементов в биологические или полностью синтетические оболочечные мембраны [7]. Таким образом, искусственные клетки могут содержать генетическую информацию, связанные с ней молекулярные механизмы ее транскрипции, трансляции и репликации, а также все необходимые специализированные молекулы и структуры. Ожидается, что искусственные клетки позволят более гибко и контролируемо использовать синтетические биологические схемы, устраняя всю дополнительную сложность естественных клеток, которая не необходима для выполнения запланированных функций.
Bien что это все еще находится на ранней стадииЭта технология успешно применяется, например, для доставки лекарств, генной терапии и производства искусственных клеток крови, и, как ожидается, она обеспечит идеальные субстраты для синтетической биологии с более предсказуемым поведением. Несмотря на то, что вышеупомянутые технологии очень многообещающие, они должны обеспечить решения основных проблем биотехнологий и инженерных исследований, прежде чем их можно будет считать надежными инструментами для реализации бионановещей. С точки зрения инженерного проектирования, одной из основных задач является разработка надежных математических и физических моделей, а также сред компьютерного моделирования, способных отражать конкретные характеристики биологических процессов, лежащих в основе искусственных клеток, таких как внутренние нелинейные явления и процессы, результаты шумные. Кроме того, искусственные клетки, подобно естественным клеткам, размножаются и мутируют, то есть имеют тенденцию случайным образом изменять части своих генетических программ и эволюционировать избирательно, то есть они имеют тенденцию сохранять лучшие мутации для своего выживания во время размножения. что добавляет возможные проблемы, но также и новые степени свободы для разработчика биологических устройств.
Еще одна проблема, которую следует учитывать, связана с биоэтикой и безопасностью, поскольку искусственно созданные организмы, которые развиваются автономно, могут представлять угрозу природным экосистемам или даже стать новыми патогенами. Недавняя разработка «выключателей уничтожения» в биологических цепях, способных останавливать размножение клеток или запускать их разрушение по внешней команде, лишь частично решает эти проблемы.
Bio-NanoThings Коммуникации
В основе концепции IoBNT лежит потребность бионановещей общаться друг с другом и взаимодействовать на основе обмениваемой информации. Поскольку био-нано-вещи получены в результате биологической клеточной инженерии, как указано выше, природная среда является основным источником вдохновения для изучения методов связи для IoBNT.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ КОММУНИКАЦИЯ В ПРИРОДЕ
В природе обмен информацией между клетками основан на синтезе, трансформации, эмиссии, распространении и рецепции молекул посредством биохимических и физических процессов. Этот обмен информацией, недавно классифицированный в телекоммуникационной инженерии как молекулярная коммуникация [1], позволяет клеткам взаимодействовать и координировать одноклеточные и многоклеточные организмы, популяции и многоклеточные консорциумы, а также участвует в большинстве основных клеточных функций, таких как: рост и пролиферация клеток.
ЦМ в клетках основан на вышеупомянутых сигнальных путях, которые представляют собой цепочки химических реакций, которые обрабатывают информационные сигналы, модулированные на химические характеристики, такие как концентрация, тип и энергетическое состояние молекул, и распространяются от источника или передатчика к пункт назначения или получатель [4]. В зависимости от расстояния между источником и пунктом назначения клеточные сигнальные пути можно классифицировать: интракринные (источник и пункт назначения находятся в одной клетке), юкстракринные (источник и пункт назначения — это клетки, контактирующие друг с другом), паракринные (источник и пункт назначения находятся в одной клетке). близко друг к другу, но не соприкасаются) или эндокринные (источник и пункт назначения находятся далеко друг от друга).
Пример общения интракринный задается внутриклеточным транспортом молекул или структур молекул, управляемых молекулярными моторами цитоскелета. Молекулярные моторы — это специализированные внутриклеточные белки, способные преобразовывать вышеупомянутые молекулы АТФ в механическую энергию. Цитоскелетные молекулярные моторы способны связываться с определенными грузами, такими как везикулы, содержащие наборы молекул или целые клеточные органеллы, прикрепляться к структурам микрофиламентов, составляющих скелет клетки, и ползать по ним, транспортируя груз от ядра к клеточной мембране и наоборот.
Обмен молекулами, такими как ионы кальция Ca2+, между двумя клетками, соединенными щелевыми контактами в их мембране, является примером юкстакринной коммуникации. Несколько примеров в природе, например, передача сигналов во время сердечного сокращения, происходящая между мышечными клетками или миоцитами, показывают, как небольшое количество молекул может циркулировать путем диффузии между соседними клетками и отвечать за синхронизацию действий контактных деталей.
Бактерии в природе обладают несколькими способами коммуникации, такими как паракринная коммуникация, которая лежит в основе выброса членами популяции сигнальных молекул, называемых аутоиндукторами. В этом процессе, называемом ощущением бактериального кворума, аутоиндукторы диффундируют в межклеточное пространство и после получения позволяют бактериям оценить плотность популяции и дать коррелированный ответ, например, продуцировать определенные типы белков. Бактерии также могут обмениваться специфическими молекулами ДНК, то есть плазмидами, посредством прямого контакта, посредством процесса, называемого конъюгацией, и транспортировать плазмиды к другим отдаленным бактериям в межклеточном пространстве, плавая по химическим путям, посредством процесса, называемого хемотаксисом.
В многоклеточных организмах пример эндокринной коммуникации осуществляется сигнальными молекулами, называемыми гормонами, которые выделяются клетками, образующими железы, распространяются по кровеносной системе и принимаются клетками в отдаленных органах, где они вызывают специфические реакции, такие как повышение рост и размножение клеток.
ЗАДАЧИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ КОММУНИКАЦИОННОЙ ИНЖЕНЕРИИ ДЛЯ IOBNT
Ожидается, что в рамках IoBNT Bio-Nano-Things будут взаимодействовать друг с другом путем обмена различными типами информации, например, сигналами синхронизации, значениями обнаруженных химических/физических параметров, результатами логики операций и наборами инструкций и команд. Методы инженерной коммуникации для поддержки этих взаимодействий в биологической среде должны возникать на основе решений, найденных в природе, таких как описанные выше.
Одна из главных задач состоит в том, чтобы понять, как эти естественные решения можно контролировать, модифицировать или перепроектировать для передачи информации, которая может отличаться от естественной. Опираясь на вышеупомянутые инструменты, разработанные в синтетической биологии и нанотехнологиях, инженеры в последнее время начали анализировать несколько возможностей создания систем MC, т.е. путем генетического перепрограммирования поведения клеток как части их естественных коммуникаций [8] или путем разработки совершенно новых искусственные системы связи путем сборки природных биологических компонентов [9].
Рассмотренные до сих пор примеры систем MC можно классифицировать в зависимости от расстояния, которое они призваны преодолевать между передачей и приемом. Например, управление юкстракринными коммуникациями посредством генетического программирования биологических клеток может позволить создать сети, в которых бионановещи контактируют друг с другом, например, когда они организованы в ткань или биопленку [10]. Этот метод CM, который обычно относится к вышеупомянутому обмену Ca2+, показанному на рисунке 2a, охватывает расстояния, пропорциональные толщине клеточных мембран, и может рассматриваться как CM очень малого радиуса действия (от десятков до сотен нм). Вышеупомянутые цитоскелетные молекулярные моторы можно рассматривать для реализации связи ближнего действия (нм-мм) [11], как показано на рисунке 2b, для охвата внутрикринной коммуникации Bio-NanoThings.
Инженеры связи также объединили описанные выше модели процессов бактериальной конъюгации и хемотаксиса для теоретического изучения возможной искусственной системы MC, которую можно считать, согласно известным характеристикам хемотаксиса, охватывающей средний диапазон (мм-мм) [9]. В частности, информация представлена в молекулах ДНК, т.е. плазмидах, которые загружаются в бактерии у передатчика и извлекаются из этих же бактерий у рецептора посредством процесса конъюгации.
Эти бактерии способны хемотаксически плыть к рецептору после высвобождения рецептором специфических молекул, то есть хемоаттрактантов, как показано на рисунке 2c. Пример системы MC дальнего действия (мм-м) был представлен на основе гормональной связи внутри эндокринной системы человека [12], как показано на рисунке 2d. С точки зрения телекоммуникационной инженерии, одной из основных задач является интеграция CM в классические элементы технической системы связи и использование инструментов теории систем и информации для достижения конечной цели — моделирования и анализа ключевых характеристик и производительности телекоммуникаций, таких как диапазон, задержка (латентность), емкость, пропускная способность и частота ошибок по битам [13].
Знание этих характеристик затем позволит сравнить и классифицировать различные возможные методы производства MC для разных сценариев применения IoBNT, а также оптимизировать их проектирование и производство. Примеры вышеупомянутого сопоставления показаны на рисунке 3, где основные процессы, задействованные в каждой описанной выше системе MC, разделены на элементы связи следующим образом. Кодирование и декодирование связаны с тем, как передаваемая информация представлена в одной или нескольких характеристиках молекул, таких как наборы определенных типов и чисел молекул (молекулярные моторы и гормональные связи), состав биологических макромолекул, таких как ДНК-плазмиды. (конъюгация и хемотаксис бактерий) или концентрация высвобождаемых молекул (обмен Са2+).
Передача и прием включают химические и физические процессы, инициирующие распространение молекул, например, инкапсуляцию в пузырьки для моторизованного молекулярного транспорта, высвобождение молекул в жидкость, например, в кровоток, или через соединение между двумя соседними клетками, или высвобождение. бактерий в присутствии молекул хемоаттрактантов в окружающей среде.
Наконец, распространение касается мобилизации молекул, несущих информацию, от места передатчика к приемнику, например, посредством молекулярного двигателя, ползущего по структурам микрофиламентов, диффузии через мембранные соединения, диффузии и адвекции в кровотоке и бактериального хемотаксиса к источник хемоаттрактанта (рецептор).
Хотя большая часть литературы в области мобильной связи посвящена моделированию и анализу вышеупомянутых систем с использованием упрощающих допущений, которые повышают математическую прослеживаемость лежащих в основе физических и химических явлений, однако предстоит еще пройти долгий путь для инженер по связи, чтобы полностью понять, как проектировать реалистичные мобильные системы для связи IoBNT.
Основные проблемы связаны с преобразованием этих упрощенных моделей в более реалистичные сценарии. Например, модели свободной диффузии, рассматриваемые до сих пор в инженерии МК для распространения и реакции молекул во внутриклеточной среде, например, в связи Ca2+, необходимо пересмотреть, чтобы включить более реалистичные явления, такие как влияние высоких концентраций макромолекул, например, например, белки, называемые макромолекулярной скученностью. Другой пример — эндокринное распространение, которое до сих пор рассматривалось для небольшого подмножества четко определенных кровеносных сосудов, где модели должны учитывать не только всю среднюю физиологию сердечно-сосудистой системы человека, но и тот факт, что специфические характеристики каждого индивидуум может вызвать очень разную динамику распространения.
Точно так же модели бактериального хемотаксиса, используемые до сих пор в инженерии MC, основаны только на поведении и свойствах отдельных бактерий и сред in vitro, тогда как следует принимать во внимание более реалистичные среды, такие как человеческое тело, и тот факт, что бактерии могут это делать. динамично размножаются, размножаются и взаимодействуют в многовидовых консорциумах. Нелинейный характер многих биохимических явлений и наличие совсем других источников шума, таких как генетические мутации, по сравнению с классическими системами, создают дополнительные проблемы для разработки надежных аналитических инструментов для инженерии MC.
СЕТИ «БИО-НИЧТО» И ИНТЕРНЕТ
Ожидается, что в рамках IoBNT бионановещи будут не только взаимодействовать друг с другом, но и взаимодействовать в сетях, которые в конечном итоге будут взаимодействовать с Интернетом. В связи с этим определение сетевых архитектур и протоколов вышеупомянутых систем MC является важным шагом в разработке IoBNT. Еще одной проблемой для IoBNT является соединение разнородных сетей, то есть состоящих из разных типов Bio-NanoThings и основанных на разных системах MC.
Наконец, создание интерфейсов между электрической областью Интернета и биохимической областью сетей IoBNT станет последним рубежом в создании прозрачной взаимосвязи между сегодняшним кибермиром и биологической средой. На рисунке 4 показан возможный сценарий, в котором полный IoBNT, состоящий из нескольких сетей, основанных на различных системах MC, развертывается внутри человеческого тела и взаимодействует через персональное электрическое устройство, подключенное к Интернету, для предоставления параметров состояния внутри тела (и получения команды и инструкции) поставщику медицинских услуг (от него).
ЗАДАЧИ, КОТОРЫЕ НЕОБХОДИМО РЕШИТЬ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БИОСЕТЕЙ
Хотя проектирование компьютерных сетей является хорошо зарекомендовавшей себя областью, в которой было предложено несколько различных решений для множества различных технологий и сценариев применения, проектирование сетей в биологической среде на основе парадигмы MC в качестве вспомогательной физики ставит новые задачи перед сетевым сообществом. . Например, молекулярная информация обычно не следует предсказуемым и определенным направлениям распространения, как в случае с электромагнитными сигналами в классической связи [13].
Диффузия молекул, бактериальный хемотаксис и нити, поддерживающие молекулярные моторы, имеют тенденцию охватывать случайные закономерности между источником и пунктом назначения. Эта и другие особенности, такие как нелинейный характер многих биохимических явлений, особенно затрудняют использование традиционных методов регулирования доступа Bio-NanoThings к общим средам, таким как жидкости, обращение к Bio-NanoThings и дизайн информации. механизмы доставки, которые являются важными фундаментальными аспектами компьютерных сетей.
Как и в случае с системами MC, возможным решением будет моделирование, анализ и повторное использование механизмов взаимодействия множества клеток в природе, например, в бактериальных популяциях [14] и многовидовых консорциумах, или в тканях многоклеточных организмов, для ретрансляции. информация из IoBNT.
В этом направлении решение по взаимосвязи гетерогенных сетей Bio-NanoThing, основанных на различных системах MC, могло бы так же легко прийти из естественного способа, которым наше тело управляет и объединяет несколько типов информации для поддержания стабильного состояния и здоровья. , или гомеостаз [4]. Эти интракорпоральные процессы обеспечивают гетерогенные коммуникации на разных уровнях: от интракринных коммуникаций внутри клетки до юкстакринных коммуникаций внутри тканей, включая эндокринные коммуникации между различными органами. Например, клетки гипофиза осуществляют этот тип трансляции, выделяя гормоны в органы тела для контроля нескольких процессов, таких как рост, кровяное давление, температура и режим сна, в результате приема других гормонов из клеток. прилегающей ткани гипоталамуса.
Биологические схемы, основанные на этих процессах, могут эффективно предоставлять набор генетических инструкций, имитирующих классические шлюзы между различными подсетями Интернета. Рисунок 5а иллюстрирует общий пример искусственной клетки, которая переводит информацию, закодированную в молекулах, испускаемых искусственными бактериями, в гормоны, которые могут секретироваться в систему кровообращения.
В этой конструкции рецепторы будут перехватывать поступающие молекулы, которые посредством каскада химических реакций активируют биологическую цепь, которая, в свою очередь, будет синтезировать белки, способные запускать химические реакции, необходимые для производства гормонов.
ПРОБЛЕМЫ БИОКИБЕР-ИНТЕРФЕЙСОВ
Биокиберинтерфейс определяется здесь как набор процессов, необходимых для перевода информации из биохимической области сетей Bio-NanoThing в киберобласть Интернета, основанную на электрических цепях и электромагнитной связи, и наоборот. Одна из основных задач реализации этих интерфейсов заключается в разработке химических и физических процессов, способных точно считывать характеристики молекул, в которых закодирована информация, и переводить их в модуляцию электромагнитных параметров. Возможным решением в этом направлении могут стать новые химические и биологические датчики, созданные на основе нанотехнологий, которые обещают беспрецедентные сенсорные возможности [15].
Эти датчики обычно состоят из материалов, характеризующихся электрическими или электромагнитными свойствами, которые можно модифицировать за счет присутствия определенных молекул или комплексов молекул, таких как биологические рецепторы, связанные с молекулами, и соответственно модулировать ток в электрической цепи. Основные проблемы при использовании этой сенсорной технологии для приложений IoBNT заключаются в их высокой задержке, низкой селективности, отсутствии стандартизированного ответа и, что наиболее важно, в их неизвестной биосовместимости, которая будет исследована в дальнейшем. Биосовместимость, понимаемая здесь как свойство технической системы ограничивать свое воздействие на биологическую среду исключительно ее предполагаемой функцией без нежелательного изменения биологических параметров, является еще одной проблемой для развертывания биокиберинтерфейсов, в частности для приложений IoBNT. внутри тела, как показано на рисунке 4. Учитывая ограниченный размер вышеупомянутых наносенсоров и многообещающие результаты текущих исследований в области электромагнитных (ЭМ) нанокоммуникаций, мы рассматриваем возможность разработки биокиберинтерфейсов путем инкапсуляции биологических наносенсоров и блоков ЭМ нанокоммуникаций. в вышеупомянутые искусственные клетки, как показано на рисунке 5b.
В этой конструкции биологический наносенсор будет отвечать за интерфейс между химическими и электрическими доменами, блок ЭМ-наносвязи будет осуществлять беспроводную связь с электрическими устройствами вне биологической среды, а искусственная клетка будет обеспечивать биосовместимость. Однако сложность заключается в способности производить достаточную мощность для того, чтобы беспроводной передатчик излучал электромагнитные волны, способные распространяться через мембрану искусственной клетки.
В то же время необходимы подходы для сбора энергии, необходимой передатчику внутри клетки. Другое решение — перенести электрический/электромагнитный домен на физический интерфейс между биологической средой и внешним миром, например, на кожу для интракорпоральных приложений IoBNT. В этом направлении электронные татуировки, аналогичные татуировкам, основанным на технологии радиочастотной идентификации (RFID), которые позволяют пользователям аутентифицировать близлежащие устройства, могут включать в себя биокиберинтерфейс, способный обнаруживать биохимическую информацию от клеток эпидермиса, потовых желез или нервов. окончания и передавать их по беспроводной сети на расположенные поблизости внешние электронные устройства.
ДРУГИЕ ВЫЗОВЫ
Теперь мы кратко обсудим некоторые другие проблемы разработки IoBNT. Технологии реализации IoBNT, обсуждаемые в этой статье, могут создать серьезные проблемы с безопасностью, если ими манипулировать со злым умыслом. Новый тип терроризма, который мы называем биокибертерроризмом, может эффективно использовать многочисленные возможности, предлагаемые IoBNT для контроля и взаимодействия с биологической средой.
Например, Bio-NanoThings можно использовать для доступа к человеческому телу и кражи личной информации о здоровье или даже для создания новых заболеваний. Кроме того, могут быть созданы новые типы вирусов для захвата уже развернутых IoBNT.
Исследования в области IoBNT обязательно должны решить эти проблемы, объединив методы обеспечения безопасности, применяемые в современных компьютерных сетях, с решениями безопасности, разработанными в результате эволюции природы, такими как иммунная система человека. Реализация методов локализации и отслеживания в IoBNT, аналогично беспроводным сенсорным сетям (WSN), может позволить реализовать важные приложения, связанные, например, с мониторингом локализации заболеваний в организме или идентификацией местоположения и распределения токсичных агентов. в окружающей среде.
Решением может стать разработка хемотаксиса в био-нано-вещах, основанная на вышеупомянутой способности бактерий находить и отслеживать источники определенных типов молекул, которыми могут быть, например, биомаркеры, выделяемые раковыми или инфицированными клетками. В соответствии с концепцией «подключено все», конечной целью является объединение парадигм IoBNT и IoNT с Интернетом вещей.
Одной из проблем интеграции устройств на наноуровне является получение большого объема информации, что выводит проблемы управления «большими данными» на новый уровень. Помимо увеличения объема данных, необходимо будет разработать новые сервисы для установления семантического соответствия между различными типами данных, которые IoBNT и IoNT будут передавать в IoT. Новые решения по обнаружению услуг также потребуются для глубокого поиска в биологической среде и взаимодействия с искусственными биологическими объектами для принятия мер или сбора информации.
Например, Bio-NanoThings можно использовать для доступа к человеческому телу и кражи личной информации, связанной со здоровьем, или даже для создания новых заболеваний. Кроме того, могут быть созданы новые типы вирусов для захвата уже развернутых IoBNT.
Исследования в области IoBNT обязательно должны решить эти проблемы, объединив методы обеспечения безопасности, применяемые в современных компьютерных сетях, с решениями безопасности, разработанными в результате эволюции природы, такими как иммунная система человека. Реализация методов локализации и отслеживания в IoBNT, аналогично беспроводным сенсорным сетям (WSN), может позволить реализовать важные приложения, связанные, например, с мониторингом локализации заболеваний в организме или идентификацией местоположения и распределения токсичных агентов. в окружающей среде.
Решением может стать разработка хемотаксиса в био-нано-вещах, основанная на вышеупомянутой способности бактерий находить и отслеживать источники определенных типов молекул, которыми могут быть, например, биомаркеры, выделяемые раковыми или инфицированными клетками. В соответствии с концепцией «подключено все», конечной целью является объединение парадигм IoBNT и IoNT с Интернетом вещей.
Одной из проблем интеграции устройств на наноуровне является получение большого объема информации, что выводит проблемы управления «большими данными» на новый уровень. Помимо увеличения объема данных, необходимо будет разработать новые сервисы для установления семантического соответствия между различными типами данных, которые IoBNT и IoNT будут передавать в IoT. Новые решения по обнаружению услуг также потребуются для глубокого поиска в биологической среде и взаимодействия с искусственными биологическими объектами для принятия мер или сбора информации.
Заключение
В то время как Интернет вещей (IoT) обеспечивает повсеместное соединение физических элементов реального мира друг с другом и с Интернетом, Интернет нановещей предлагает расширить границы этой концепции до нанометрических устройств, основанных на нанотехнологиях, которые могут быть легко скрываются, имплантируются и распространяются в окружающей среде. В этой статье мы представили другую концепцию — Интернет бионановещей, в которой синтетическая биология и нанотехнологии объединяются для разработки объектов, основанных на контроле, повторном использовании, модификации и реинжиниринге биологических клеток.
В этой статье описываются проблемы реализации этих объектов и, что более важно, обеспечения их связи и создания сетей с помощью методов, меняющих парадигму в области связи и сетевой инженерии. Мы верим, что область исследований IoBNT, хотя и находится еще в зачаточном состоянии, приведет к созданию технологии, которая изменит правила игры для общества завтрашнего дня.
ссылки
[1] И.Ф. Акилдиз и Дж.М. Джорнет, «Интернет нановещей», IEEE Wireless Commun, vol. 17, нет. 6 декабря 2010 г., стр. 58-63.
[2] Л. Дж. Каль и Д. Энди, «Обзор технологий в синтетической биологии», J. Biological Engineering, vol. 7, нет. 1 мая 2013 г., с. 13.
[3] И. Ф. Акилдиз, Ф. Брунетти и К. Бласкес, «Наносети: новая коммуникационная парадигма», Компьютерные сети, том. 52, нет. 12 августа 2008 г., стр. 2260-79.
[4] Д.Л. Нельсон и М.М. Кокс, Принципы биохимии Ленингера, WH Freeman, 2005, стр. 425-29.
[5] Си Джей Майерс, Инженерные генетические схемы, Chapman & Hall/CRC, Серия по математической и вычислительной биологии, 2009.
[6] Д. Бейкер и др., Инженерная жизнь: создание фабрики для биологии, Scientific American, vol. 294, нет. 6 июня 2006 г., стр. 44-51.
[7] Ф. Ву и К. Тан, «Разработка искусственных клеточных наносистем с использованием подходов синтетической биологии», WIREs Nanomedicine and Nanobiotech, vol. 6, нет. 4 июля/августа 2014 г.
[8] М. Пьеробон, «Системно-теоретическая модель биологической цепи для молекулярной связи в наносетях», Nano Communication Networks (Elsevier), vol. Т. 5, № 1-2, март-июнь 2014 г., с. 25-34.
[9] М. Грегори и И.Ф. Акилдиз, «Новая архитектура наносети с использованием жгутиковых бактерий и каталитических наномоторов», IEEE JSAC, vol. 28, нет. 4 мая 2010 г., стр. 612-19.
[10] М. Баррос и др., «Протоколы передачи молекулярных коммуникаций на основе сигналов кальция в деформируемой клеточной ткани», IEEE Trans. Нанотехнологии, вып. 13, нет. 4 мая 2014 г., с. 779-88.
[11] М. Дж. Мур, Т. Суда и К. Оива, «Молекулярная связь: моделирование воздействия шума на скорость передачи данных», IEEE Trans. Нанобионаука, том. 8, нет. 2 июня 2009 г., стр. 169-80.
[12] Ю. Чахиби и др., «Модель молекулярной системы связи для систем доставки лекарств в виде частиц», IEEE Trans. Биомедицинская инженерия, вып. 60, нет. 12, 2013, с. 3468-83.
[13] М. Пьеробон и И. Ф. Акилдиз, «Основы диффузионной молекулярной коммуникации в наносетях», Now Publishers Inc, ISBN-10: 1601988168, ISBN-13: 978-1601988164, апрель. 2014, 164 страницы.
[14] И.Ф. Акилдиз и др., «MoNaCo: Основы молекулярных нанокоммуникационных сетей», IEEE Wireless Commun. Маг., вып. 19, нет. 5 октября 2012 г., стр. 12-18.
[15] CR Yonzon и др., «На пути к передовым химическим и биологическим наносенсорам – обзор», Talanta, vol. 67, нет. 3 сентября 2005 г., стр. 438-48.
БИОГРАФИИ
ИФ АКЫЛДИЗ является заведующим кафедрой телекоммуникаций Кена Байерса в Школе электротехники и вычислительной техники Технологического института Джорджии, Атланта, директором лаборатории широкополосных беспроводных сетей (BWN) и президентом телекоммуникационной группы в Технологическом институте Джорджии. С 2013 года он является профессором FiDiPro (Программа выдающихся профессоров Финляндии (FiDiPro), поддерживаемая Академией Финляндии) на факультете электроники и коммуникационной техники Технологического университета Тампере, Финляндия. Он является членом IEEE (1996 г.) и ACM (1997 г.). Он получил множество наград от IEEE и ACM. Его текущие исследования сосредоточены на наносетях, сетях связи в терагерцовом диапазоне, сотовых системах 5G и беспроводных сенсорных сетях.
М. ПЬЕРОБОН получил докторскую степень в области электротехники и вычислительной техники в Технологическом институте Джорджии, Атланта, Джорджия, в 2013 году и степень магистра в области телекоммуникаций в Миланском политехническом университете, Милан, Италия, в 2005 году. В настоящее время он является доцентом кафедры. Доктор компьютерных наук и инженерии Университета Небраски-Линкольн. Он является главным редактором журнала IEEE Transactions on Communications. Он является членом IEEE, ACM и ACS. Его текущие исследования сосредоточены на теории молекулярной связи для наносетей, коммуникационной инженерии, применяемой к интеллектуальным системам доставки лекарств, и телекоммуникационной технике, применяемой к межклеточной коммуникации.
С. БАЛАСУБРАМАНИАМ получил степени бакалавра (электротехника и электроника) и доктора философии в Университете Квинсленда в 1998 и 2005 годах соответственно, а также степень магистра (компьютерная и коммуникационная инженерия) в 1999 году в Технологическом университете Квинсленда. В настоящее время он является старшим научным сотрудником Центра нанокоммуникаций кафедры электронной и коммуникационной техники Технологического университета Тампере (TUT), Финляндия. Он был сопредседателем TPC на ACM NANOCOM 2014 и IEEE MoNaCom 2011. В настоящее время он является редактором IEEE Internet of Things и Nano Communication Networks компании Elsevier. Его текущие исследования сосредоточены на биологических коммуникационных сетях и молекулярной коммуникации.
Ю. КУЧЕРЯВЫЙ (
Источник: активистпост.com
