Κάτω από το δέρμα: Το Διαδίκτυο των Βιο-Νανοπραγμάτων
Μια Βέλτιστη Βιομηχανική Απόδοση Βιο-Βιονεομάζας
Πρώτα υπήρξε το Διαδίκτυο των πραγμάτων (IoT), μετά το Διαδίκτυο των σωμάτων (IoB), το Διαδίκτυο των πάντων (IoE) και, τέλος, η Μεγάλη Φαρμακευτική και ο στρατός μπαίνουν στο αίμα σας για να κατασκευάσουν το Διαδίκτυο των βιο-νανο-“πραγμάτων’’ (IoBNT).
Μπορεί να ελπίζατε για το Διαδίκτυο του Τίποτα, αλλά αντ’ αυτού, θα έχετε το Διαδίκτυο του Παγκόσμιου Skynet (IoUS).
Αυτό το 🫴🏻 έγγραφο των Akyildiz, Pierobon κ.ά. – από τον Μάρτιο του 2015, είναι ένα εισαγωγικό κείμενο που μπορεί να καταλάβει ο καθένας, συμπεριλαμβανομένου και εσάς.
Το IoBNT είναι το τελικό δομικό στοιχείο του δικτύου επιτήρησης, γεφυρώνοντας όλα τα έμβια όντα από τον βιοχημικό τομέα στον ηλεκτρικό τομέα του Διαδικτύου.
ΤΟ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ ΤΩΝ ΒΙΟ-ΝΑΝΟΑΝΘΡΩΠΩΝ
“Δεν υπήρχε καμία προειδοποίηση ότι η νανοτεχνολογία αυτού του είδους διοχετευόταν στις φλέβες σας όταν λαμβάνατε ένα ενέσιμο mRNA από την Pfizer ή τη Moderna.
Ούτε μια λέξη από την κυβέρνηση, τη Μεγάλη Φαρμακευτική ή το Στρατό. Δεν προσφέρθηκε καμία συγκατάθεση μετά από ενημέρωση. Η ασταμάτητη προπαγάνδα έλεγε «Ασφαλής και Αποτελεσματική»…
Η τεχνοκρατία βρίσκεται κυριολεκτικά σε τροχιά κατάκτησης της ανθρώπινης φυλής, ενώ οι άνθρωποι δεν έχουν ιδέα ότι διεξάγεται πόλεμος εναντίον τους.Αυτό είναι το θέμα του OMNIWAR: ΣΥΜΠΟΣΙΟΥ στις 21 Σεπτεμβρίου. Θα συμμετέχω μαζί με τους Catherine Austin Fitts, David Hughes, Daniel Broudy και Lissa Johnson.
Αυτή είναι η πρώτη παγκόσμια ζωντανή μετάδοση που θα φτάσει σε όλες τις γωνιές του κόσμου. Καταλαβαίνετε γιατί ζητάω να το φωνάξω από την κορυφή της στέγης;” –Patrick Wood
Σύνοψη
Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT) έχει γίνει ένα σημαντικό ερευνητικό θέμα την τελευταία δεκαετία, όπου τα πράγματα αναφέρονται σε διασυνδεδεμένες μηχανές και αντικείμενα με ενσωματωμένες υπολογιστικές δυνατότητες που χρησιμοποιούνται για την επέκταση του Διαδικτύου σε πολλούς τομείς εφαρμογών.
Ενώ η έρευνα και η ανάπτυξη συνεχίζεται για γενικές συσκευές IoT, υπάρχουν πολλοί τομείς εφαρμογών όπου απαιτούνται πολύ μικροσκοπικά, κρυφά και μη παρεμβατικά Πράγματα.
Οι ιδιότητες των νανοϋλικών που μελετήθηκαν πρόσφατα, όπως το γραφένιο, ενέπνευσαν την έννοια του Διαδικτύου των Νανοπράγμων (IoNT), που βασίζεται στη διασύνδεση συσκευών νανοκλίμακας.
Παρά το γεγονός ότι αποτελεί παράγοντα για πολλές εφαρμογές, η τεχνητή φύση των συσκευών IoNT μπορεί να είναι επιζήμια, όπου η ανάπτυξη των NanoThings θα μπορούσε να οδηγήσει σε ανεπιθύμητες επιπτώσεις στην υγεία ή τη ρύπανση.
Το νέο παράδειγμα του Διαδικτύου των Βιο-Νανοπραγμάτων (IoBNT) παρουσιάζεται σε αυτό το έγγραφο με αφετηρία τη συνθετική βιολογία και τα εργαλεία νανοτεχνολογίας που επιτρέπουν την κατασκευή βιολογικών ενσωματωμένων υπολογιστικών συσκευών.
Με βάση τα βιολογικά κύτταρα και τις λειτουργικότητές τους στον βιοχημικό τομέα, τα Bio-NanoThings υπόσχονται να επιτρέψουν εφαρμογές όπως η ενδοσωματική ανίχνευση και τα δίκτυα ενεργοποίησης και ο περιβαλλοντικός έλεγχος των τοξικών παραγόντων και της ρύπανσης.
Το Io-Bio-NanoThings αντιπροσωπεύει μια έννοια που αλλάζει το παράδειγμα για την επικοινωνία και τη μηχανική δικτύων, όπου αντιμετωπίζονται νέες προκλήσεις για την ανάπτυξη αποτελεσματικών και ασφαλών τεχνικών για την ανταλλαγή πληροφοριών, την αλληλεπίδραση και τη δικτύωση εντός του βιοχημικού τομέα, ενώ παράλληλα επιτρέπει τη διασύνδεση με τον ηλεκτρικό τομέα του Διαδικτύου.
Εισαγωγή
Το Ίντερνετ των Πραγμάτων (IoT) ορίζει ένα κυβερνοφυσικό παράδειγμα, όπου όλα τα είδη φυσικών στοιχείων του πραγματικού κόσμου (αισθητήρες, ενεργοποιητές, προσωπικές ηλεκτρονικές συσκευές ή οικιακές συσκευές, μεταξύ άλλων) είναι συνδεδεμένα και μπορούν να αλληλεπιδρούν αυτόνομα μεταξύ τους.
Αυτή η νέα μορφή απρόσκοπτης συνδεσιμότητας αποτελεί τον καταλύτη για πολλές εφαρμογές, όπως η επικοινωνία μεταξύ μηχανών, η παρακολούθηση βιομηχανικών διαδικασιών σε πραγματικό χρόνο, οι έξυπνες πόλεις, τα έξυπνα δίκτυα για τη διαχείριση της ενέργειας, οι έξυπνες μεταφορές, η περιβαλλοντική παρακολούθηση, η διαχείριση υποδομών, τα ιατρικά συστήματα και τα συστήματα υγειονομικής περίθαλψης, ο αυτοματισμός κτιρίων και κατοικιών και οι εφαρμογές μεγάλης κλίμακας.
Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων έγινε επίκεντρο της έρευνας και της ανάπτυξης τα τελευταία 15 χρόνια. Οι κυβερνητικές υπηρεσίες και η βιομηχανία παγκοσμίως έκαναν και εξακολουθούν να κάνουν μεγάλο αριθμό επενδύσεων για το Διαδίκτυο των πραγμάτων.
Πρόσφατα, η έννοια του IoT αναθεωρήθηκε υπό το πρίσμα των νέων ερευνητικών επιτευγμάτων στον τομέα της νανοτεχνολογίας και της μηχανικής επικοινωνιών, τα οποία επιτρέπουν την ανάπτυξη δικτύων ενσωματωμένων υπολογιστικών συσκευών, βασισμένων σε νανοϋλικά, όπως το γραφένιο ή τα μεταϋλικά, με κλίμακες που κυμαίνονται από ένα έως μερικές εκατοντάδες νανόμετρα, τα λεγόμενα νανοδοχεία.
Το Διαδίκτυο των Νανοπραγμάτων (IoNT), που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά στο, 1 προτείνεται ως βάση για πολυάριθμες μελλοντικές εφαρμογές, όπως στους τομείς του στρατού, της υγειονομικής περίθαλψης και της ασφάλειας, όπου τα νανοπράγματα, χάρη στο περιορισμένο μέγεθός τους, μπορούν εύκολα να κρυφτούν, να εμφυτευθούν και να διασκορπιστούν στο περιβάλλον, όπου μπορούν να εκτελούν συνεργατικά αισθητήρες, ενεργοποίηση, επεξεργασία και δικτύωση (networking).
Ενώ τα νανοσυστήματα μπορούν να ωθήσουν τη μηχανική των συσκευών και των συστημάτων σε πρωτόγνωρα περιβάλλοντα και κλίμακες, παρόμοια με άλλες συσκευές, έχουν τεχνητή φύση, καθώς βασίζονται σε συνθετικά υλικά, ηλεκτρονικά κυκλώματα και αλληλεπιδρούν μέσω ηλεκτρομαγνητικών (ΗΜ) επικοινωνιών. 1
Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορεί να είναι επιζήμια για ορισμένα περιβάλλοντα εφαρμογών, όπως στο εσωτερικό του σώματος ή σε φυσικά οικοσυστήματα, όπου η ανάπτυξη των νανοδισκίων και της ΗΜ ακτινοβολίας τους θα μπορούσε να οδηγήσει σε ανεπιθύμητες επιπτώσεις στην υγεία ή στη ρύπανση.
Μια νέα ερευνητική κατεύθυνση στη μηχανική των συσκευών και συστημάτων νανοκλίμακας επιδιώκεται στον τομέα της βιολογίας, συνδυάζοντας τη νανοτεχνολογία με εργαλεία από τη συνθετική βιολογία για τον έλεγχο, την επαναχρησιμοποίηση, την τροποποίηση και την επανασχεδίαση βιολογικών κυττάρων. 2
Με βάση την αναλογία μεταξύ ενός βιολογικού κυττάρου και μιας τυπικής ενσωματωμένης υπολογιστικής συσκευής IoT, ένα κύτταρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά ως υπόστρωμα για την υλοποίηση ενός λεγόμενου Bio-Νανο-πράγματος, μέσω του ελέγχου, της επαναχρησιμοποίησης και της επανασχεδίασης των λειτουργιών των βιολογικών κυττάρων, όπως η ανίχνευση, η ενεργοποίηση, η επεξεργασία και η επικοινωνία.
Δεδομένου ότι τα κύτταρα βασίζονται σε βιολογικά μόρια και βιοχημικές αντιδράσεις και όχι σε ηλεκτρονικά, η έννοια του Διαδικτύου των Βιο-Νανο-Πραγμάτων (IoBNT), που παρουσιάζεται σε αυτό το άρθρο, αναμένεται να αλλάξει το παράδειγμα για πολλούς συναφείς κλάδους, όπως η μηχανική επικοινωνιών και δικτύων, στην οποία επικεντρώνεται το παρόν άρθρο.
Η εκτέλεση εντολών με βάση το DNA, η βιοχημική επεξεργασία δεδομένων, ο μετασχηματισμός της χημικής ενέργειας και η ανταλλαγή πληροφοριών μέσω της μετάδοσης και λήψης μορίων, που ονομάζεται μοριακή επικοινωνία (ΜΚ), 3 αποτελούν τη βάση μιας πληθώρας εφαρμογών που θα ενεργοποιηθούν από το IoBNT, όπως :
- Ενδοσωματική ανίχνευση και ενεργοποίηση, όπου τα Bio-NanoThings μέσα στο ανθρώπινο σώμα θα συλλέγουν συνεργατικά πληροφορίες σχετικές με την υγεία, θα τις μεταδίδουν σε έναν εξωτερικό πάροχο υγειονομικής περίθαλψης μέσω του Διαδικτύου και θα εκτελούν εντολές από τον ίδιο πάροχο, όπως η σύνθεση και η απελευθέρωση φαρμάκων.
- Έλεγχος της συνδεσιμότητας εντός του σώματος, όπου τα Bio-NanoThings θα επιδιορθώνουν ή θα αποτρέπουν τις βλάβες στις επικοινωνίες μεταξύ των εσωτερικών μας οργάνων, όπως αυτές που βασίζονται στο ενδοκρινικό και το νευρικό σύστημα, οι οποίες αποτελούν τη βάση πολλών ασθενειών.
- Περιβαλλοντικός έλεγχος και καθαρισμός, όπου τα βιο-νανοσυστήματα που αναπτύσσονται στο περιβάλλον, όπως ένα φυσικό οικοσύστημα, θα ελέγχουν για τοξικούς και ρυπογόνους παράγοντες και θα μετατρέπουν συνεργατικά τους παράγοντες αυτούς μέσω της βιοεξυγίανσης, π.χ. βακτήρια που χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό πετρελαιοκηλίδων.
Το παρόν άρθρο οργανώνεται ως εξής.
- Πρώτον, ορίζονται τα Bio- Nano-Things υπό το πρίσμα των εργαλείων που είναι σήμερα διαθέσιμα από τη συνθετική βιολογία και τη νανοτεχνολογία.
- Δεύτερον, περιγράφεται λεπτομερώς η εφαρμογή της μηχανικής επικοινωνιών για το σχεδιασμό τηλεπικοινωνιών Bio-NanoThings, ενώ συζητούνται οι προκλήσεις για τη μηχανική των δικτύων Bio-NanoThings και των συνδέσεων στο Διαδίκτυο.
- Τρίτον, περιγράφονται περαιτέρω ερευνητικές προκλήσεις για την υλοποίηση των IoBNT.
Τέλος, ολοκληρώνουμε το άρθρο.
Bio-Νανοπράγματα (Bio-NanoThings)
Στο πλαίσιο του IoBNT, τα βιο-νανο-πράγματα ορίζονται ως μοναδικά αναγνωρίσιμες βασικές δομικές και λειτουργικές μονάδες που λειτουργούν και αλληλεπιδρούν εντός του βιολογικού περιβάλλοντος.
Προερχόμενα από βιολογικά κύτταρα και ενεργοποιούμενα από τη συνθετική βιολογία και τη νανοτεχνολογία, τα Bio-NanoThings αναμένεται να εκτελούν εργασίες και λειτουργίες τυπικές για τις ενσωματωμένες υπολογιστικές συσκευές του IoT, όπως η ανίχνευση, η επεξεργασία, η ενεργοποίηση και η αλληλεπίδραση μεταξύ τους.
ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΩΣ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΑ ΤΩΝ ΒΙΟ-ΝΑΝΟΔΟΧΕΙΩΝ
Ένα βιολογικό κύτταρο είναι η βασική μονάδα της ζωής, αποτελούμενο από μια μεμβράνη που περικλείει ένα μείγμα εξαιρετικά εξειδικευμένων μορίων, με καθορισμένη χημική σύνθεση και λειτουργία, τα οποία μπορούν επίσης να οργανωθούν σε λειτουργικές δομές [4].
Μια αντιστοίχιση μεταξύ των στοιχείων μιας τυπικής ενσωματωμένης υπολογιστικής συσκευής IoT και των στοιχείων ενός κυττάρου γίνεται εμφανής αν συγκρίνουμε τη διάδοση των ηλεκτρονίων στους ημιαγωγούς με λειτουργικά παρόμοιες, αν και πολύ πιο πολύπλοκες, βιοχημικές αντιδράσεις.
Στο πλαίσιο αυτό, όπως απεικονίζεται στο Σχ. 1 ανωτέρω, ορισμένα παραδείγματα είναι τα ακόλουθα.
Η μονάδα ελέγχου, η οποία περιέχει το ενσωματωμένο λογισμικό της συσκευής, θα αντιστοιχούσε στις γενετικές οδηγίες που είναι πυκνά συσκευασμένες στα μόρια DNA των κυττάρων, οι οποίες κωδικοποιούν πρωτεϊνικές δομές, τις «μονάδες δεδομένων» του κυττάρου και ρυθμιστικές αλληλουχίες, παρόμοιες με τις υπό όρους εκφράσεις του λογισμικού.
Η μονάδα μνήμης, η οποία περιέχει τις τιμές των ενσωματωμένων δεδομένων του συστήματος, θα αντιστοιχούσε στο χημικό περιεχόμενο του κυτταροπλάσματος, δηλαδή του εσωτερικού του κυττάρου, που αποτελείται από μόρια που συνθέτει το κύτταρο ως αποτέλεσμα των οδηγιών του DNA, και άλλα μόρια ή δομές, π.χ. κυστίδια, που ανταλλάσσονται με το εξωτερικό περιβάλλον.
Η μονάδα επεξεργασίας, η οποία εκτελεί τις εντολές λογισμικού και διαχειρίζεται τη μνήμη και τα περιφερειακά, θα αντιστοιχούσε στη μοριακή μηχανή που, από τα μόρια DNA, μέσω της λεγόμενης μεταγραφής και μετάφρασης, παράγει πρωτεϊνικά μόρια με τύπους και συγκεντρώσεις που εξαρτώνται από τις εντολές.
Η μονάδα ισχύος, η οποία παρέχει την ενέργεια για τη διατήρηση των ηλεκτρικών ρευμάτων στα κυκλώματα του ενσωματωμένου συστήματος, θα αντιστοιχούσε στη δεξαμενή στο κύτταρο του μορίου της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ), το οποίο συντίθεται από το κύτταρο από την ενέργεια που παρέχεται από το εξωτερικό περιβάλλον σε διάφορες μορφές και παρέχει την απαραίτητη ενέργεια για τη διεξαγωγή των βιοχημικών αντιδράσεων του κυττάρου.
Οι πομποδέκτες, οι οποίοι επιτρέπουν στα ενσωματωμένα συστήματα να ανταλλάσσουν πληροφορίες, θα αντιστοιχούν στις συγκεκριμένες αλυσίδες χημικών αντιδράσεων, δηλαδή στις οδούς σηματοδότησης, μέσω των οποίων τα κύτταρα ανταλλάσσουν μόρια που φέρουν πληροφορίες.
Η ανίχνευση και η ενεργοποίηση, οι οποίες επιτρέπουν στα ενσωματωμένα συστήματα να αποκτούν δεδομένα και να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον, θα αντιστοιχούσαν στην ικανότητα ενός κυττάρου να αναγνωρίζει χημικά εξωτερικά μόρια ή φυσικά ερεθίσματα, π.χ. φως ή μηχανική καταπόνηση, και να αλλάζει τα χημικά χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος ή να αλληλεπιδρά μηχανικά μέσω κινούμενων στοιχείων, όπως οι μαστίγιες, οι πίλοι ή οι βλεφαρίδες (flagella, pili, or cilia).
Διαθέσιμες τεχνολογίες και προκλήσεις
Ο κλάδος της συνθετικής βιολογίας παρέχει εργαλεία για τον έλεγχο, την επαναχρησιμοποίηση, την τροποποίηση και την επανασχεδίαση της δομής και της λειτουργίας των κυττάρων και αναμένεται να επιτρέψει στους μηχανικούς να χρησιμοποιήσουν αποτελεσματικά τα βιολογικά κύτταρα ως προγραμματιζόμενα υποστρώματα για την υλοποίηση των Bio-NanoThings ως βιολογικών ενσωματωμένων υπολογιστικών συσκευών. 2
Οι τεχνολογίες αλληλούχισης και σύνθεσης του DNA, που επιτρέπουν την ανάγνωση και την εγγραφή πληροφοριών γενετικού κώδικα στα μόρια DNA των βιολογικών κυττάρων, δίνουν στους μηχανικούς ολοένα και πιο ανοικτή πρόσβαση στο σύνολο των δομικών και λειτουργικών οδηγιών που αποτελούν τη βάση της ζωής.
Ειδικότερα, η μηχανική των συνθετικών βιολογικών κυκλωμάτων 5 μέσω της χειραγώγησης του γενετικού κώδικα επέτρεψε τον προγραμματισμό ειδικά σχεδιασμένων λειτουργιών για την εκτέλεση από τα κύτταρα.
Ένα βιολογικό κύκλωμα είναι ένα σύνολο γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες και ρυθμιστικές αλληλουχίες, οι οποίες συνδέουν τη σύνθεση πρωτεϊνών με μηχανισμούς αμοιβαίας ενεργοποίησης και καταστολής.
Οι λειτουργίες που αναπτύσσονται σήμερα με επιτυχία μέσω βιολογικών κυκλωμάτων κυμαίνονται από λογικές πύλες AND και OR, έως διάφορους τύπους ρυθμιζόμενων ταλαντωτών, διακόπτες εναλλαγής και μετρητές.
Η ανάπτυξη βάσεων δεδομένων με χαρακτηρισμένα τυποποιημένα μέρη βιολογικών κυκλωμάτων με γνωστές λειτουργίες και συμπεριφορές, π.χ. BioBricks, και εργαλείων για το συνδυασμό τους σε πιο σύνθετα σχέδια, 6 ωθούν τη συνθετική βιολογία σε μια μελλοντική εξέλιξη παρόμοια με εκείνη που γνωρίζει ο σχεδιασμός ολοκληρωμένων ηλεκτρικών κυκλωμάτων στην ηλεκτρονική.
Κατά συνέπεια, οι μηχανικοί θα είναι σύντομα σε θέση να αποκτήσουν πλήρη πρόσβαση στις λειτουργίες των προαναφερθέντων στοιχείων των κυττάρων και να επαναχρησιμοποιούν τα κύτταρα και τα χαρακτηριστικά τους, χωρίς να απαιτείται βαθιά γνώση της βιοτεχνολογίας.Ένα από τα πιο πρόσφατα σύνορα της συνθετικής βιολογίας είναι η ανάπτυξη τεχνητών κυττάρων, η οποία καθίσταται δυνατή, μεταξύ άλλων, με εργαλεία της νανοτεχνολογίας.
Τα τεχνητά κύτταρα έχουν ελάχιστες λειτουργικότητες και δομικά στοιχεία σε σύγκριση με τα φυσικά κύτταρα, και συναρμολογούνται από κάτω προς τα πάνω με την ενθυλάκωση των απαραίτητων στοιχείων είτε σε βιολογικές είτε σε πλήρως συνθετικές μεμβράνες που τα περιβάλλουν. 7
Συνεπώς, τα τεχνητά κύτταρα μπορούν να περιέχουν γενετικές πληροφορίες, τους σχετικούς μοριακούς μηχανισμούς για τη μεταγραφή, τη μετάφραση και την αντιγραφή τους, καθώς και όλα τα απαιτούμενα εξειδικευμένα μόρια και δομές.
Τα τεχνητά κύτταρα αναμένεται να επιτρέψουν μια πιο ευέλικτη και ελεγχόμενη χρήση των συνθετικών βιολογικών κυκλωμάτων αφαιρώντας όλη την πρόσθετη πολυπλοκότητα των φυσικών κυττάρων που δεν είναι απαραίτητη για την εκτέλεση των σχεδιασμένων λειτουργιών.
Αν και βρίσκεται ακόμη σε νηπιακό στάδιο, η τεχνολογία αυτή έχει εφαρμοστεί με επιτυχία, π.χ. για τη χορήγηση φαρμάκων, τη γονιδιακή θεραπεία και την παραγωγή τεχνητών αιμοσφαιρίων, και αναμένεται να προσφέρει ιδανικά υποστρώματα για τη συνθετική βιολογία με πιο προβλέψιμη συμπεριφορά.
Αν και πολύ υποσχόμενες, οι προαναφερθείσες τεχνολογίες πρέπει να δώσουν λύσεις σε μείζονες ερευνητικές προκλήσεις στη βιοτεχνολογία και τη μηχανική προτού θεωρηθούν αξιόπιστα εργαλεία για την υλοποίηση των βιο-νανο-πράγμάτων.
Εστιάζοντας στην άποψη του μηχανολογικού σχεδιασμού, μια σημαντική πρόκληση είναι η ανάπτυξη αξιόπιστων μαθηματικών και φυσικών μοντέλων και περιβαλλόντων προσομοίωσης σε υπολογιστή, ικανών να συλλάβουν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των βιολογικών διεργασιών που διέπουν τα τεχνητά κύτταρα, όπως τα εγγενή μη γραμμικά φαινόμενα και οι διεργασίες με θορυβώδη αποτελέσματα.
Επιπλέον, τα τεχνητά κύτταρα, παρόμοια με τα φυσικά κύτταρα, αναπαράγονται και μεταλλάσσονται, δηλαδή τείνουν να αλλάζουν τυχαία τμήματα των γενετικών τους προγραμμάτων, και εξελίσσονται επιλεκτικά, δηλαδή τείνουν να διατηρούν τις καλύτερες μεταλλάξεις για την επιβίωσή τους κατά την αναπαραγωγή, προσθέτοντας πιθανά προβλήματα αλλά και νέους βαθμούς ελευθερίας στον σχεδιαστή βιολογικών συσκευών.
Μια άλλη πρόκληση που πρέπει να εξεταστεί σχετίζεται με τη βιοηθική και την ασφάλεια, δεδομένου ότι οι αυτοδύναμα εξελισσόμενοι μηχανικά οργανισμοί θα μπορούσαν να αποτελέσουν απειλή για τα φυσικά οικοσυστήματα και ακόμη και να γίνουν νέοι παθογόνοι οργανισμοί.
Η πρόσφατη ανάπτυξη των διακοπτών «kill» στα βιολογικά κυκλώματα, ικανών να σταματήσουν την αναπαραγωγή των κυττάρων ή να προκαλέσουν την καταστροφή των κυττάρων κατόπιν εξωτερικής εντολής, αντιμετωπίζει μόνο εν μέρει αυτά τα προβλήματα.
Επικοινωνίες Bio-NanoThings
Στη βάση της έννοιας του IoBNT υπάρχει η ανάγκη να επικοινωνούν τα βιο-νανο-πράγματα μεταξύ τους και να αλληλεπιδρούν με βάση τις πληροφορίες που ανταλλάσσονται.
Δεδομένου ότι τα Bio-NanoThings προέρχονται από τη μηχανική των βιολογικών κυττάρων, όπως αναλύθηκε παραπάνω, το φυσικό περιβάλλον αποτελεί την κύρια έμπνευση για τη μελέτη των τεχνικών επικοινωνίας για τα IoBNT.
MΟΡΙΑΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΣΤΗ ΦΥΣΗ
Στη φύση, η ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των κυττάρων βασίζεται στη σύνθεση, τη μετατροπή, την εκπομπή, τη διάδοση και τη λήψη μορίων μέσω βιοχημικών και φυσικών διεργασιών.
Αυτή η ανταλλαγή πληροφοριών, που πρόσφατα ταξινομήθηκε στη μηχανική τηλεπικοινωνιών ως MC, 1 επιτρέπει τις αλληλεπιδράσεις των κυττάρων και τον συντονισμό μονοκυτταρικών και πολυκυτταρικών οργανισμών, πληθυσμών και κοινοπραξιών πολλών ειδών και συμμετέχει στις περισσότερες από τις κύριες κυτταρικές λειτουργίες, όπως η κυτταρική ανάπτυξη και ο πολλαπλασιασμός.
Το MC στα κύτταρα βασίζεται στα προαναφερθέντα σηματοδοτικά μονοπάτια, τα οποία είναι αλυσίδες χημικών αντιδράσεων που επεξεργάζονται σήματα πληροφοριών διαμορφωμένα σε χημικά χαρακτηριστικά, όπως η συγκέντρωση, ο τύπος και η ενεργειακή κατάσταση των μορίων, και τα διαδίδουν από μια πηγή ή πομπό σε έναν προορισμό ή δέκτη. 4
Οι κυτταρικές σηματοδοτικές οδοί μπορούν να ταξινομηθούν με βάση την απόσταση μεταξύ πηγής και προορισμού σε ενδοκρινείς (πηγή και προορισμός βρίσκονται εντός του ίδιου κυττάρου), ιουξτρακρινείς (πηγή και προορισμός είναι κύτταρα που βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους), παρακρινείς (πηγή και προορισμός βρίσκονται κοντά η μία στην άλλη, αλλά όχι σε επαφή) ή ενδοκρινείς (πηγή και προορισμός βρίσκονται μακριά η μία από την άλλη).
Ένα παράδειγμα ενδοκρινικής επικοινωνίας δίνεται από την ενδοκυτταρική μεταφορά μορίων ή μοριακών δομών που λειτουργούν με κυτταροσκελετικούς μοριακούς κινητήρες.
Οι μοριακοί κινητήρες είναι ενδοκυτταρικές εξειδικευμένες πρωτεΐνες ικανές να μετατρέπουν τα προαναφερθέντα μόρια ΑΤΡ σε μηχανική ενέργεια.
Βλ. :
Συγκομιδή ενέργειας από το ανθρώπινο σώμα μέσω ασύρματου δικτύου περιοχής σώματος
Οι μοριακοί κινητήρες του κυτταροσκελετού είναι σε θέση να προσδεθούν σε ένα συγκεκριμένο φορτίο, όπως κυστίδια που περικλείουν σύνολα μορίων ή ολόκληρα κυτταρικά οργανίδια, να προσκολληθούν στις δομές μικροϊνιδίων που συνθέτουν τον σκελετό του κυττάρου και να συρθούν κατά μήκος τους μεταφέροντας το φορτίο από τον πυρήνα στη μεμβράνη του κυττάρου και αντίστροφα.
Η ανταλλαγή μορίων, όπως τα ιόντα ασβεστίου Ca2+, μεταξύ δύο κυττάρων που συνδέονται με επικοινωνιακές διακλαδώσεις στη μεμβράνη τους, είναι ένα παράδειγμα χυμοκεντρικής επικοινωνίας.
Αρκετά παραδείγματα στη φύση, όπως η σηματοδότηση κατά τη διάρκεια μιας καρδιακής συστολής που συμβαίνει μεταξύ μυϊκών κυττάρων ή μυοκυττάρων, δείχνουν πώς μια μικρή ποσότητα μορίων μπορεί να ρέει με διάχυση μεταξύ γειτονικών κυττάρων και να είναι υπεύθυνη για τον συγχρονισμό συντονισμένων δράσεων.
Τα βακτήρια παρουσιάζουν διάφορα μέσα επικοινωνίας στη φύση, όπως η παρακρινής επικοινωνία που διέπεται από την εκπομπή σηματοδοτικών μορίων που ονομάζονται αυτοενισχυτές από τα μέλη ενός πληθυσμού.
Σε αυτή τη διαδικασία, που ονομάζεται βακτηριακή ανίχνευση κβόρουμ, οι αυτοευαισθητοποιητές διαχέονται στον μεσοκυττάριο χώρο και, κατά τη λήψη τους, επιτρέπουν στα βακτήρια να εκτιμήσουν την πυκνότητα του πληθυσμού και να έχουν μια συσχετισμένη απόκριση, όπως η παραγωγή συγκεκριμένων τύπων πρωτεϊνών.
Τα βακτήρια μπορούν επίσης να ανταλλάσσουν συγκεκριμένα μόρια DNA, δηλαδή πλασμίδια, μέσω άμεσης επαφής, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται σύζευξη, και να μεταφέρουν τα πλασμίδια σε άλλα απομακρυσμένα βακτήρια εντός του μεσοκυττάριου χώρου κολυμπώντας σύμφωνα με χημικά μονοπάτια, με μια διαδικασία που ονομάζεται χημειοταξία.
Στους πολυκύτταρους οργανισμούς, ένα παράδειγμα ενδοκρινικής επικοινωνίας πραγματοποιείται μέσω σηματοδοτικών μορίων που ονομάζονται ορμόνες, τα οποία εκπέμπονται από τα κύτταρα που συνθέτουν τους αδένες, διαδίδονται μέσω του κυκλοφορικού συστήματος και λαμβάνονται από τα κύτταρα απομακρυσμένων οργάνων, όπου προκαλούν συγκεκριμένες αποκρίσεις, όπως η αυξημένη κυτταρική ανάπτυξη και αναπαραγωγή.
ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΓΙΑ ΤΟ IoBNT
Στο πλαίσιο του IoBNT, τα Bio-NanoThings αναμένεται να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας διάφορους τύπους πληροφοριών, π.χ. σήματα συγχρονισμού, τιμές αισθητών χημικών/φυσικών παραμέτρων, αποτελέσματα λογικών πράξεων και σύνολα οδηγιών και εντολών.
Η μηχανική των τεχνικών επικοινωνίας για την υποστήριξη αυτών των αλληλεπιδράσεων στο βιολογικό περιβάλλον πρέπει να προέρχεται από λύσεις που έχουν βρεθεί στη φύση, όπως αυτές που περιγράφονται παραπάνω.
Μια από τις σημαντικότερες προκλήσεις είναι να κατανοήσουμε πώς αυτές οι φυσικές λύσεις μπορούν να ελεγχθούν, να τροποποιηθούν ή να επανασχεδιαστούν για τη μετάδοση πληροφοριών που μπορεί να είναι διαφορετικές από τις φυσικές.
Προερχόμενοι από τα προαναφερθέντα εργαλεία που αναπτύσσονται στη συνθετική βιολογία και τη νανοτεχνολογία, οι μηχανικοί άρχισαν πρόσφατα να αναλύουν διάφορες διαφορετικές δυνατότητες για την υλοποίηση συστημάτων MC, είτε με γενετικό επαναπρογραμματισμό της συμπεριφοράς των κυττάρων στο πλαίσιο των φυσικών επικοινωνιών τους, 8 είτε με την ανάπτυξη εντελώς νέων τεχνητών συστημάτων επικοινωνίας με τη συναρμολόγηση φυσικών βιολογικών συστατικών. 9
Βλ. :
Σύστημα ταυτοποίησης και παρακολούθησης με βάση το DNA
Τα παραδείγματα συστημάτων MC που έχουν οραματιστεί μέχρι σήμερα μπορούν να ταξινομηθούν με βάση το εύρος της απόστασης που αναμένεται να καλύψουν από τη μετάδοση έως τη λήψη.
Για παράδειγµα, ο έλεγχος των juxtracrine επικοινωνιών µέσω του γενετικού προγραµµατισµού των βιολογικών κυττάρων µπορεί να επιτρέψει την κατασκευή δικτύων όπου τα Bio- NanoThings βρίσκονται σε επαφή µεταξύ τους, π.χ. όταν είναι οργανωµένα σε έναν ιστό ή σε ένα βιοφίλμ. 10
Αυτή η τεχνική MC, που συνήθως αναφέρεται στην προαναφερθείσα ανταλλαγή Ca2+, η οποία παρουσιάζεται στο Σχήμα 2α, καλύπτει αποστάσεις ανάλογες με το πάχος των κυτταρικών μεμβρανών και μπορεί να θεωρηθεί ως MC πολύ μικρής εμβέλειας (δεκάδες έως εκατοντάδες nm).
Οι προαναφερόμενοι μοριακοί κινητήρες του κυτταροσκελετού μπορούν να θεωρηθούν για την υλοποίηση MC σε μικρή εμβέλεια (nm-mm), 11 όπως φαίνεται στο Σχ. 2β, για την κάλυψη ενδοκρινικών επικοινωνιών Bio-NanoThings.
Οι μηχανικοί επικοινωνίας συνδύασαν επίσης μοντέλα των διαδικασιών βακτηριακής σύζευξης και χημειοταξίας που περιγράφηκαν παραπάνω για να μελετήσουν θεωρητικά ένα πιθανό τεχνητό σύστημα MC, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί, σύμφωνα με τα γνωστά χαρακτηριστικά της χημειοταξίας, ότι καλύπτει τη μεσαία εμβέλεια (mm-mm). 9
Ειδικότερα, η πληροφορία αναπαρίσταται σε μόρια DNA, δηλαδή πλασμίδια, τα οποία φορτώνονται στη θέση του πομπού σε βακτήρια και εξάγονται από τα ίδια βακτήρια στο δέκτη μέσω μιας διαδικασίας σύζευξης.
Τα βακτήρια αυτά είναι σε θέση να κολυμπήσουν με χημειοταξία προς τον δέκτη, ακολουθώντας την απελευθέρωση από τον δέκτη συγκεκριμένων μορίων, δηλαδή χημειοελκυστικών, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2γ.
Ένα παράδειγμα συστήματος MC μεγάλης εμβέλειας (mm-m) έχει οραματιστεί με βάση την ορμονική επικοινωνία εντός του ανθρώπινου ενδοκρινικού συστήματος, 10 όπως φαίνεται στο Σχ. 2δ.
Από τη σκοπιά της τηλεπικοινωνιακής μηχανικής, μία από τις κύριες προκλήσεις έγκειται στην αντιστοίχιση του MC στα κλασικά στοιχεία ενός τεχνικού συστήματος επικοινωνίας και στη χρήση εργαλείων από τη θεωρία συστημάτων και πληροφορίας με απώτερους στόχους τη μοντελοποίηση και ανάλυση των κύριων τηλεπικοινωνιακών χαρακτηριστικών και επιδόσεων, όπως η εμβέλεια, η καθυστέρηση (λανθάνουσα κατάσταση), η χωρητικότητα, η απόδοση και ο ρυθμός σφάλματος bit. 13
Η γνώση αυτών των χαρακτηριστικών θα επιτρέψει στη συνέχεια τη σύγκριση και την ταξινόμηση πιθανών διαφορετικών τεχνικών για την υλοποίηση MC για διαφορετικά σενάρια εφαρμογών IoBNT, καθώς και τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού και της υλοποίησής τους.
Παραδείγματα της προαναφερθείσας αντιστοίχισης παρουσιάζονται στο Σχήμα 3, όπου οι κύριες διεργασίες που εμπλέκονται σε κάθε σύστημα MC που περιγράφηκε παραπάνω χωρίζονται σε στοιχεία επικοινωνίας ως εξής :
Η κωδικοποίηση και η αποκωδικοποίηση σχετίζονται με τον τρόπο με τον οποίο η προς μετάδοση πληροφορία αναπαρίσταται σε ένα ή περισσότερα χαρακτηριστικά μορίων, όπως σύνολα συγκεκριμένων τύπων και αριθμών μορίων (μοριακοί κινητήρες και ορμονική επικοινωνία), σύνθεση βιολογικών μακρομορίων, όπως πλασμίδια DNA (βακτηριακή σύζευξη/χημοταξία), ή συγκέντρωση απελευθερωμένων μορίων (ανταλλαγή Ca2+).
Η μετάδοση και η λήψη περιλαμβάνουν τις χημικές και φυσικές διεργασίες για την έναρξη της διάδοσης των μορίων, π.χ. η ενθυλάκωση σε κυστίδια για τη μεταφορά μοριακών κινητήρων, η απελευθέρωση μορίων σε ένα υγρό, όπως η κυκλοφορία του αίματος, ή μέσω μιας διασταύρωσης μεταξύ δύο γειτονικών κυττάρων, ή η απελευθέρωση βακτηρίων κατά την παρουσία χημειοελκυστικών μορίων στο περιβάλλον.
Τέλος, η διάδοση αφορά την κινητοποίηση των μορίων που φέρουν την πληροφορία από τη θέση του πομπού προς τον δέκτη, όπως μέσω της ερπυσμού μοριακών κινητήρων κατά μήκος δομών μικροϊνιδίων, της διάχυσης μέσω μεμβρανικών συνδέσεων, της διάχυσης και της μεταφοράς στην κυκλοφορία του αίματος και της χημειοταξίας των βακτηρίων προς την πηγή χημειοπροσέλκυσης (δέκτη).
Ενώ ένα μεγάλο μέρος της βιβλιογραφίας στον τομέα των MC έχει αφιερωθεί στη μοντελοποίηση και την ανάλυση των προαναφερθέντων συστημάτων μέσω απλουστευτικών υποθέσεων, οι οποίες αυξάνουν τη μαθηματική δυνατότητα προσέγγισης των υποκείμενων φυσικών και χημικών φαινομένων, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για να κατανοήσει πλήρως ένας μηχανικός επικοινωνιών πώς να σχεδιάσει ρεαλιστικά συστήματα MC για επικοινωνίες IoBNT.
Οι κύριες προκλήσεις δίνονται από τη μετατροπή αυτών των απλουστευμένων μοντέλων σε πιο ρεαλιστικά σενάρια.
Για παράδειγμα, τα μοντέλα ελεύθερης διάχυσης που εξετάζονται μέχρι σήμερα στη μηχανική MC για τη διάδοση και την αντίδραση των μορίων στο ενδοκυτταρικό περιβάλλον, π.χ. στην επικοινωνία Ca2+, πρέπει να αναθεωρηθούν ώστε να συμπεριλάβουν πιο ρεαλιστικά φαινόμενα, όπως η επίδραση των υψηλών συγκεντρώσεων μακρομορίων, π.χ. πρωτεϊνών, που ονομάζεται μακρομοριακός συνωστισμός.
Ένα άλλο παράδειγμα δίνεται από την ενδοκρινική διάδοση, η οποία μέχρι σήμερα εξετάζεται για ένα μικρό υποσύνολο καλά καθορισμένων αιμοφόρων αγγείων, όπου τα μοντέλα θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη όχι μόνο ολόκληρη τη μέση φυσιολογία του ανθρώπινου καρδιαγγειακού συστήματος, αλλά και ότι τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά κάθε ατόμου μπορεί να οδηγήσουν σε πολύ διαφορετικές δυναμικές διάδοσης.
Επίσης, τα μοντέλα χημειοταξίας των βακτηρίων που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα στη μηχανική MC βασίζονται μόνο στη συμπεριφορά και τις ιδιότητες μεμονωμένων βακτηρίων και σε περιβάλλοντα in vitro, ενώ στην πραγματικότητα θα πρέπει να ληφθούν υπόψη πιο ρεαλιστικά περιβάλλοντα, όπως μέσα στο ανθρώπινο σώμα, και το γεγονός ότι τα βακτήρια μπορούν να πολλαπλασιάζονται και να πολλαπλασιάζονται δυναμικά και να αλληλεπιδρούν σε κοινοπραξίες πολλών ειδών.
Άλλες προκλήσεις για την ανάπτυξη αξιόπιστων αναλυτικών εργαλείων για τη μηχανική των MC δίνονται από τη μη γραμμική φύση πολλών βιοχημικών φαινομένων και την παρουσία πολύ διαφορετικών πηγών θορύβου, όπως οι γενετικές μεταλλάξεις, σε σύγκριση με τα κλασικά συστήματα.
Δίκτυα Bio-Nanothing και το Διαδίκτυο
Εντός του IoBNT, τα Βιο-Νανοπράγματα αναμένεται όχι μόνο να επικοινωνούν μεταξύ τους, αλλά και να αλληλεπιδρούν σε δίκτυα, τα οποία τελικά θα διασυνδέονται με το Διαδίκτυο.
Για το σκοπό αυτό, ο ορισμός αρχιτεκτονικών και πρωτοκόλλων δικτύων πάνω στα προαναφερθέντα συστήματα MC αποτελεί ουσιαστικό βήμα για την ανάπτυξη του IoBNT.
Μια περαιτέρω πρόκληση για το IoBNT είναι η διασύνδεση ετερογενών δικτύων, δηλαδή δικτύων που αποτελούνται από διαφορετικούς τύπους βιο-νανοαντικειμένων και βασίζονται σε διαφορετικά συστήματα MC.
Τέλος, η υλοποίηση διεπαφών μεταξύ του ηλεκτρικού τομέα του Διαδικτύου και του βιοχημικού τομέα των δικτύων IoBNT θα αποτελέσει το απόλυτο σύνορο για τη δημιουργία μιας απρόσκοπτης διασύνδεσης μεταξύ του σημερινού κυβερνο-κόσμου και του βιολογικού περιβάλλοντος.
Στο Σχήμα 4 παρουσιάζουμε ένα πιθανό σενάριο όπου ένα πλήρες IoBNT, αποτελούμενο από διάφορα δίκτυα που βασίζονται σε διαφορετικά συστήματα MC, αναπτύσσεται στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος και διασυνδέεται μέσω μιας προσωπικής ηλεκτρικής συσκευής που είναι συνδεδεμένη με το Διαδίκτυο για να παραδίδει παραμέτρους κατάστασης εντός του σώματος (και να λαμβάνει εντολές και οδηγίες) σε (από) έναν πάροχο «υγειονομικής περίθαλψης».
ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ BIO-NANOTHING
Ενώ η μηχανική των δικτύων υπολογιστών είναι ένας καθιερωμένος τομέας, όπου έχουν δοθεί αρκετές διαφορετικές λύσεις για πολλές διαφορετικές τεχνολογίες και σενάρια εφαρμογών, ο σχεδιασμός δικτύων στο βιολογικό περιβάλλον και με βάση το παράδειγμα MC ως φυσικό μέσο, θέτει νέες προκλήσεις στην κοινότητα των δικτύων.
Για παράδειγμα, η μοριακή πληροφορία δεν ακολουθεί γενικά προβλέψιμες και συγκεκριμένες κατευθύνσεις διάδοσης, όπως συμβαίνει διαφορετικά με τα ηλεκτρομαγνητικά σήματα στις κλασικές επικοινωνίες. 13
Η διάχυση των μορίων, η βακτηριακή χημειοταξία και τα νημάτια που υποστηρίζουν τους μοριακούς κινητήρες, τείνουν να καλύπτουν τυχαία μοτίβα μεταξύ πηγής και προορισμού.
Αυτή και άλλες ιδιαιτερότητες, όπως η μη γραμμική φύση πολλών βιοχημικών φαινομένων, καθιστούν ιδιαίτερα δύσκολη τη χρήση των κλασικών τεχνικών για τη ρύθμιση της πρόσβασης των βιο-νανοτεχνολογιών σε κοινά μέσα, όπως τα υγρά, τη διευθυνσιοδότηση των βιο-νανοτεχνολογιών και τον σχεδιασμό μηχανισμών δρομολόγησης πληροφοριών, που αποτελούν σημαντικές βασικές πτυχές των δικτύων υπολογιστών.
Όπως έγινε για τα συστήματα MC, μια πιθανή λύση θα είναι η μοντελοποίηση, ανάλυση και επαναχρησιμοποίηση των μηχανισμών αλληλεπίδρασης πολλαπλών κυττάρων στη φύση, όπως σε πληθυσμούς βακτηρίων 14 και κοινοπραξίες πολλαπλών ειδών, ή μέσα στους ιστούς πολυκυτταρικών οργανισμών, για τη μεταβίβαση των πληροφοριών των IoBNT.
Προς αυτή την κατεύθυνση, μια λύση για τη διασύνδεση ετερογενών δικτύων Bio-NanoThing, βασισμένων σε διαφορετικά συστήματα MC, θα μπορούσε κάλλιστα να προέλθει από τον φυσικό τρόπο με τον οποίο το σώμα μας διαχειρίζεται και συγχωνεύει διάφορους τύπους πληροφοριών για να διατηρήσει μια σταθερή, υγιή κατάσταση ή ομοιόσταση. 4
Αυτές οι ενδοσωματικές διεργασίες επιτρέπουν την ετερογενή επικοινωνία σε διάφορες κλίμακες, που μεταφράζεται από την ενδοκρινική επικοινωνία εντός ενός κυττάρου, στην παράλληλη επικοινωνία εντός των ιστών, στην ενδοκρινική επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών οργάνων.
Για παράδειγμα, τα κύτταρα της υπόφυσης εκτελούν αυτού του είδους τη μετάφραση απελευθερώνοντας ορμόνες στα όργανα του σώματος για τον έλεγχο διαφόρων διεργασιών, όπως η ανάπτυξη, η αρτηριακή πίεση, η θερμοκρασία και τα πρότυπα ύπνου, ως αποτέλεσμα της λήψης άλλων ορμονών από τα κύτταρα του παρακείμενου υποθαλαμικού ιστού.Τα βιολογικά κυκλώματα που βασίζονται σε αυτές τις διαδικασίες θα μπορούσαν να παρέχουν αποτελεσματικά ένα σύνολο γενετικών οδηγιών που μιμούνται τις κλασικές πύλες μεταξύ διαφορετικών υποδικτύων στο Διαδίκτυο.
Το Σχήμα 5α απεικονίζει ένα γενικό παράδειγμα τεχνητού κυττάρου που μεταφράζει τις πληροφορίες που κωδικοποιούνται σε μόρια που εκπέμπονται από τεχνητά βακτήρια σε ορμόνες που μπορούν να εκκρίνονται στο κυκλοφορικό σύστημα. Σε αυτό το σχέδιο, οι υποδοχείς θα αναχαιτίζουν τα εισερχόμενα μόρια τα οποία, μέσω ενός καταρράκτη χημικών αντιδράσεων, θα ενεργοποιούν ένα βιολογικό κύκλωμα, το οποίο με τη σειρά του θα συνθέτει πρωτεΐνες ικανές να πυροδοτήσουν τις απαραίτητες χημικές αντιδράσεις για την παραγωγή των ορμονών.
ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΔΙΕΠΑΦΕΣ BIO-CYBER
Ως διεπαφή βιο-κυβερνοχώρου ορίζεται εδώ το σύνολο των διαδικασιών που είναι απαραίτητες για τη μετάφραση πληροφοριών από το βιοχημικό πεδίο των δικτύων Bio-NanoThing στο κυβερνοχώρο του Διαδικτύου, το οποίο βασίζεται σε ηλεκτρικά κυκλώματα και ηλεκτρομαγνητικές επικοινωνίες, και αντίστροφα.
Μια από τις κύριες προκλήσεις για την υλοποίηση αυτών των διεπαφών έγκειται στη μηχανική των χημικών και φυσικών διεργασιών που είναι σε θέση να διαβάζουν με ακρίβεια τα χαρακτηριστικά των μορίων όπου κωδικοποιούνται οι πληροφορίες και να τα μεταφράζουν στη διαμόρφωση των ηλεκτρομαγνητικών παραμέτρων.
Μια πιθανή λύση προς αυτή την κατεύθυνση μπορεί να προέλθει από τους νέους χημικούς και βιολογικούς αισθητήρες που επιτρέπει η νανοτεχνολογία, οι οποίοι υπόσχονται πρωτοφανείς δυνατότητες ανίχνευσης. 15Αυτοί οι αισθητήρες αποτελούνται γενικά από υλικά που χαρακτηρίζονται από ηλεκτρικές ή ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες οι οποίες μπορούν να μεταβληθούν από την παρουσία καθορισμένων μορίων ή μοριακών συμπλεγμάτων, όπως βιολογικών υποδοχέων συνδεδεμένων με μόρια, και να διαμορφώσουν αντίστοιχα το ρεύμα σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.Τα σημαντικότερα προβλήματα για τη χρήση αυτής της τεχνολογίας ανίχνευσης σε εφαρμογές IoBNT είναι η υψηλή καθυστέρηση, η χαμηλή επιλεκτικότητα, η έλλειψη τυποποιημένης απόκρισης και, κυρίως, η άγνωστη βιοσυμβατότητα, η οποία εξετάζεται στη συνέχεια.
Η βιοσυμβατότητα, η οποία εννοείται εδώ ως η ιδιότητα ενός κατασκευασμένου συστήματος να περιορίζει τη δράση του στο βιολογικό περιβάλλον αποκλειστικά στην προβλεπόμενη λειτουργία του, χωρίς καμία ανεπιθύμητη μεταβολή των βιολογικών παραμέτρων, αποτελεί άλλη μια πρόκληση για την ανάπτυξη διεπαφών βιο-υφάσματος, ιδίως για εφαρμογές IoBNT εντός του σώματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.
Δεδομένου του περιορισμένου μεγέθους των προαναφερθέντων νανοαισθητήρων και των σημερινών υποσχόμενων ερευνητικών αποτελεσμάτων στις ηλεκτρομαγνητικές (ΗΜ) νανοεπικοινωνίες, οραματιζόμαστε τη δυνατότητα ανάπτυξης διεπαφών βιο-κυβέρνησης με ενθυλάκωση βιολογικών νανοαισθητήρων και ΗΜ μονάδων νανοεπικοινωνίας εντός των προαναφερθέντων τεχνητών κυττάρων, όπως φαίνεται στο Σχ. 5β.
Σε αυτόν τον σχεδιασμό, ο βιολογικός νανοαισθητήρας θα είναι υπεύθυνος για τη διασύνδεση χημικών και ηλεκτρικών τομέων, η μονάδα ΗΜ νανοεπικοινωνίας θα επικοινωνεί ασύρματα με ηλεκτρικές συσκευές εκτός του βιολογικού περιβάλλοντος και το τεχνητό κύτταρο θα εξασφαλίζει τη βιοσυμβατότητα.
Ωστόσο, μια πρόκληση έγκειται στη δυνατότητα παραγωγής επαρκούς ισχύος για τον ασύρματο πομπό ώστε να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα που μπορούν να διαδοθούν μέσω της μεμβράνης του τεχνητού κυττάρου.
Ταυτόχρονα, απαιτούνται επίσης προσεγγίσεις για τη συλλογή ενέργειας για τη μονάδα πομπού από το εσωτερικό του κυττάρου.
Μια άλλη εναλλακτική λύση είναι η προώθηση του ηλεκτρικού/ηλεκτρικού τομέα στη φυσική διεπαφή μεταξύ του βιολογικού περιβάλλοντος και του εξωτερικού κόσμου, όπως το δέρμα για ενδοσωματικές εφαρμογές IoBNT.
👉🏻 Προς αυτή την κατεύθυνση, τα ηλεκτρονικά τατουάζ, παρόμοια με εκείνα που βασίζονται στην τεχνολογία αναγνώρισης ραδιοσυχνοτήτων (RFID), τα οποία επιτρέπουν στους χρήστες να πιστοποιούν την αυθεντικότητα των συσκευών σε κοντινή απόσταση, θα μπορούσαν να ενσωματώσουν μια βιο-κυβερνητική διεπαφή ικανή να ανιχνεύει βιοχημικές πληροφορίες από τα κύτταρα της επιδερμίδας, τους ιδρωτοποιούς αδένες ή τις νευρικές απολήξεις και να τις μεταδίδει ασύρματα σε κοντινές εξωτερικές ηλεκτρονικές συσκευές.Περαιτέρω προκλήσεις
Αναφέρουμε τώρα εν συντομία ορισμένες περαιτέρω προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν για την ανάπτυξη του IoBNT.
Οι "τεχνολογίες IoBNT" που εξετάζονται σε αυτό το άρθρο, θα μπορούσαν να αποτελέσουν σοβαρές απειλές για την ασφάλεια, εάν χρησιμοποιηθούν με κακόβουλη πρόθεση.Ένας νέος τύπος τρομοκρατίας, τον οποίο ονομάζουμε βιο-κυβερνοτρομοκρατία, θα μπορούσε να εκμεταλλευτεί αποτελεσματικά τις πολυάριθμες δυνατότητες που προσφέρουν οι IoBNT για τον έλεγχο και την αλληλεπίδραση με το βιολογικό περιβάλλον.
Για παράδειγμα, τα Bio-NanoThings θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αποκτήσουν πρόσβαση στο ανθρώπινο σώμα και είτε να κλέψουν προσωπικές πληροφορίες που σχετίζονται με την υγεία, είτε ακόμη και να δημιουργήσουν νέες ασθένειες.
Επιπλέον, θα μπορούσαν να δημιουργηθούν νέοι τύποι ιών για την παραβίαση των ήδη εγκατεστημένων IoBNT.
Η έρευνα στον τομέα των IoBNT θα πρέπει απαραιτήτως να αντιμετωπίσει αυτά τα προβλήματα συνδυάζοντας τις μεθόδους διασφάλισης ασφάλειας που εφαρμόζονται στα σημερινά δίκτυα υπολογιστών [. . .] με λύσεις ασφάλειας που αναπτύχθηκαν μέσω της εξέλιξης από τη φύση, όπως το ανθρώπινο ανοσοποιητικό σύστημα [. . .]
Η υλοποίηση τεχνικών εντοπισμού και παρακολούθησης στο πλαίσιο του IoBNT, με παρόμοιο τρόπο όπως πραγματοποιείται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSN), θα μπορούσε να επιτρέψει σημαντικές εφαρμογές που σχετίζονται, για παράδειγμα, με την παρακολούθηση των θέσεων ασθενειών στο σώμα ή τον εντοπισμό της θέσης και της κατανομής τοξικών παραγόντων σε ένα περιβάλλον.
Μια λύση θα μπορούσε να προέλθει από τη μηχανική της χημειοταξίας στα Bio-NanoThings, με βάση την προαναφερθείσα ικανότητα των βακτηρίων να εντοπίζουν και να παρακολουθούν πηγές συγκεκριμένων τύπων μορίων, τα οποία θα μπορούσαν να είναι, για παράδειγμα, βιοδείκτες που απελευθερώνονται από καρκινικά ή μολυσμένα κύτταρα.
Σύμφωνα με το όραμα «όλα τα πράγματα (άνθρωποι) συνδεδεμένα», ένας απώτερος στόχος είναι η διασύνδεση των παραδειγμάτων IoBNT και IoNT με το IoT.
Μια πρόκληση της ενσωμάτωσης συσκευών νανοκλίμακας είναι ο μεγάλος όγκος πληροφοριών που θα προκύψει, γεγονός που μεταφέρει τις προκλήσεις της διαχείρισης των «μεγάλων δεδομένων» σε ένα νέο επίπεδο.
Εκτός από την αύξηση της ποσότητας των δεδομένων, θα πρέπει να σχεδιαστούν νέες υπηρεσίες για τη σημασιολογική χαρτογράφηση μεταξύ των διαφόρων τύπων δεδομένων που θα τροφοδοτούν το IoBNT και το IoNT στο IoT.
Θα απαιτηθούν επίσης νέες λύσεις ανακάλυψης υπηρεσιών για την αναζήτηση σε βάθος στα βιολογικά περιβάλλοντα και την αλληλεπίδραση με μηχανικές βιολογικές οντότητες για την ενεργοποίηση ή τη συλλογή πληροφοριών.
Βλ.:
“Global Brain” – Η ημερομηνία-στόχος για την ολοκλήρωση του παγκόσμιου εγκεφάλου είναι το 2030
Συμπέρασμα
Ενώ το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (IoT) επιτρέπει τη διάχυτη συνδεσιμότητα των φυσικών στοιχείων του πραγματικού κόσμου μεταξύ τους και με το Διαδίκτυο, το Διαδίκτυο των Νανοπραγμάτων προτείνει να διευρυνθούν τα όρια αυτής της έννοιας σε συσκευές νανοκλίμακας με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας, οι οποίες μπορούν εύκολα να κρυφτούν, να εμφυτευτούν και να διασκορπιστούν στο περιβάλλον.Σε αυτό το άρθρο παρουσιάσαμε την περαιτέρω έννοια του Διαδικτύου των Βιο-Νανοπραγμάτων, όπου η συνθετική βιολογία και η νανοτεχνολογία συνδυάζονται για την ανάπτυξη “Πραγμάτων” που βασίζονται στον έλεγχο, την επαναχρησιμοποίηση, την τροποποίηση και την επανασχεδίαση των βιολογικών κυττάρων.
Το άρθρο αυτό περιέγραψε τις προκλήσεις που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν για την υλοποίηση αυτών των πραγμάτων και, κυρίως, για την ενεργοποίηση της επικοινωνίας και της δικτύωσής τους, με τεχνικές που αλλάζουν το παράδειγμα για τους τομείς της επικοινωνίας και της μηχανικής δικτύων.
Πιστεύουμε ότι ο ερευνητικός τομέας IoBNT, αν και βρίσκεται ακόμη στα σπάργανα, θα οδηγήσει σε μια τεχνολογία που θα αλλάξει τα δεδομένα για την κοινωνία του αύριο.
Παραπομπές
- 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.
Βιογραφίες
I. F. AKYILDIZ είναι καθηγητής της έδρας Ken Byers στις τηλεπικοινωνίες στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Georgia στην Ατλάντα, διευθυντής του Εργαστηρίου Ευρυζωνικών Ασύρματων Δικτύων (BWN) και πρόεδρος της ομάδας τηλεπικοινωνιών στο Georgia Tech. Από το 2013 είναι καθηγητής FiDiPro (Πρόγραμμα Διακεκριμένων Καθηγητών της Φινλανδίας (FiDiPro) που υποστηρίζεται από την Ακαδημία της Φινλανδίας) στο Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών και Μηχανικών Επικοινωνιών του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Τάμπερε, Φινλανδία. Είναι μέλος του IEEE (1996) και μέλος του ACM (1997). Έχει λάβει πολυάριθμα βραβεία από το IEEE και το ACM. Τα τρέχοντα ερευνητικά του ενδιαφέροντα αφορούν τα νανοδίκτυα, τα δίκτυα επικοινωνίας ζώνης TeraHertz, τα κυψελοειδή συστήματα 5G και τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων.
M. PIEROBON έλαβε το διδακτορικό του δίπλωμα στην ηλεκτρολογία και τη μηχανική υπολογιστών από το Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, το 2013, και το μεταπτυχιακό του δίπλωμα στην τηλεπικοινωνιακή μηχανική από το Politecnico di Milano, Milano, Italy, το 2005. Σήμερα είναι επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Νεμπράσκα- Λίνκολν. Είναι συντάκτης του περιοδικού IEEE Transactions on Communications. Είναι μέλος των IEEE, ACM και ACS. Τα τρέχοντα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι η θεωρία μοριακής επικοινωνίας για νανοδίκτυα, η εφαρμοσμένη μηχανική επικοινωνιών σε ευφυή συστήματα χορήγησης φαρμάκων και η εφαρμοσμένη τηλεπικοινωνιακή μηχανική σε επικοινωνίες μεταξύ κυττάρων.
S. BALASUBRAMANIAM έλαβε το πτυχίο του (ηλεκτρολόγος και ηλεκτρονικός μηχανικός) και το διδακτορικό του δίπλωμα από το Πανεπιστήμιο του Queensland το 1998 και το 2005, αντίστοιχα, και το μεταπτυχιακό του δίπλωμα (μηχανικός υπολογιστών και επικοινωνιών) το 1999 από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Queensland. Επί του παρόντος είναι ανώτερος ερευνητής στο Κέντρο Νανοεπικοινωνιών, Τμήμα Ηλεκτρονικής Μηχανικής και Μηχανικών Επικοινωνιών, Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Τάμπερε (TUT), Φινλανδία. Υπήρξε συμπρόεδρος της TPC στην ACM NANOCOM 2014 και στην IEEE MoNaCom 2011. Επί του παρόντος είναι συντάκτης για το IEEE Internet of Things και το Nano Communication Networks της Elsevier. Τα τρέχοντα ερευνητικά του ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν βιοεμπνευσμένα δίκτυα επικοινωνίας και μοριακή επικοινωνία.
Y. KOUCHERYAVY (evgeni.kucheryavy@tut.fi) είναι τακτικός καθηγητής και διευθυντής εργαστηρίου στο Τμήμα Ηλεκτρονικής και Μηχανικής Επικοινωνιών του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Τάμπερε (TUT), Φινλανδία. Έλαβε το διδακτορικό του δίπλωμα (2004) από το TUT. Είναι συγγραφέας πολυάριθμων δημοσιεύσεων στον τομέα της προηγμένης ενσύρματης και ασύρματης δικτύωσης και επικοινωνιών. Τα τρέχοντα ερευνητικά του ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν διάφορες πτυχές ετερογενών ασύρματων δικτύων και συστημάτων επικοινωνίας, το Διαδίκτυο των πραγμάτων και την τυποποίησή του, καθώς και τις νανοεπικοινωνίες. Είναι αναπληρωτής τεχνικός συντάκτης του IEEE Communications Magazine και συντάκτης του IEEE Communications Surveys and Tutorials.
