Nejprve to byl internet věcí (IoT), pak internet těl (IoB), internet všeho (IoE) a nakonec se do vašeho krevního oběhu noří Big Pharma a armáda, aby vybudovali internet bio-nano- věci (IoBNT). Možná jste doufali v internet ničeho, ale místo toho získáte internet Skynet Universal (IoUS). Tento článek z března 2015 je úvodem, kterému rozumí každý, včetně vás. IoBNT je posledním stavebním blokem sledovací sítě, která spojuje všechny živé bytosti od biochemické domény až po elektrickou doménu internetu.
Když jste dostali injekční mRNA od společností Pfizer nebo Moderna, nebyli jste varováni, že vám do žil vstřikují nanotechnologie tohoto typu. Ani slovo od vlády, Big Pharma nebo armády. Nebyl nabídnut žádný informovaný souhlas. Nepřetržitá propaganda hlásala: "Bezpečné a účinné."
Technokracie je doslova připravena podmanit si lidskou rasu, zatímco lidé netuší, že je proti nim vedena válka. Toto je témaOMNIWAR: SYMPOZIUM, 21. září. Budu se účastnit s Catherine Austin Fitts, Davidem Hughesem, Danielem Broudym a Lissou Johnson. je to zdarma, ale je lepší přijmout hovor, abyste byli informováni. Toto je první globální živý přenos, který se dostane do všech koutů světa. Chápete, proč to žádám, abych to křičel ze střech? - Patrik Wood, šéfredaktor časopisu Technocracy News & Trends
Autor: Akyildiz, Pierobon a kol. prostřednictvím IEEE Communications Magazine
IoBNT představuje koncept pro změnu paradigmatu pro komunikaci a síťové inženýrství, kde se řeší nové výzvy k vývoji účinných a bezpečných technik pro výměnu informací, interakci a vytváření sítí v biochemické doméně a zároveň umožňuje rozhraní s elektrickou doménou internetu.
Shrnutí
Internet věcí (IoT) se za poslední desetiletí stal důležitým výzkumným tématem, přičemž IoT odkazuje na vzájemně propojené stroje a objekty s vestavěnými výpočetními schopnostmi používanými k rozšíření internetu do mnoha aplikačních oblastí. Zatímco výzkum a vývoj obecných zařízení IoT pokračuje, existuje mnoho aplikačních oblastí, kde jsou potřeba drobné, skryté a nevtíravé objekty.
Vlastnosti nedávno studovaných nanomateriálů, jako je grafen, inspirovaly koncept internetu nano věcí (IoNT), založeného na propojení zařízení v nanoměřítku. Přestože umožňuje mnoho aplikací, umělá povaha zařízení IoNT může být škodlivá, protože nasazení NanoThings může způsobit nepříznivé účinky na zdraví nebo znečištění. Nové paradigma internetu bio-nano-věcí (IoBNT) je v tomto článku představeno využitím nástrojů syntetické biologie a nanotechnologií, které umožňují konstrukci integrovaných biologických počítačových zařízení.
Bio-Nano-Things, založené na biologických buňkách a jejich funkcích v biochemické doméně, slibují, že umožní aplikace, jako jsou snímací a aktivační sítě v těle a environmentální kontrola toxických látek a znečištění. IoBNT představuje koncept pro změnu paradigmatu pro komunikační a síťové inženýrství, kde jsou řešeny nové výzvy pro vývoj účinných a bezpečných technik pro výměnu informací, interakci a vytváření sítí v biochemické doméně, a zároveň umožňuje rozhraní s elektrickou doménou internetu.
Úvod
Internet věcí (IoT) definuje kyber-fyzické paradigma, ve kterém jsou všechny typy fyzických prvků reálného světa (mimo jiné senzory, akční členy, osobní elektronická zařízení nebo domácí spotřebiče) propojeny a schopné vzájemně autonomně interagovat navzájem. Tato nová forma bezproblémové konektivity je hnací silou mnoha aplikací, jako je komunikace mezi stroji, monitorování průmyslových procesů v reálném čase, chytrá města, chytré sítě pro správu energie, chytrá doprava, monitorování životního prostředí, správa infrastruktury, zdravotnictví. a zdravotnické systémy, automatizace budov a domácností a rozsáhlá nasazení. Internet věcí se za posledních 15 let stal středem zájmu výzkumu a vývoje. Vládní agentury a průmysl po celém světě investovaly a nadále investují značné částky do internetu věcí.
Nedávno byl koncept internetu věcí přehodnocen s ohledem na nové výzkumné pokroky v oblasti nanotechnologií a komunikačního inženýrství, které umožňují vývoj sítí integrovaných výpočetních zařízení založených na nanomateriálech, jako je grafen nebo metamateriály, v měřítku od jedné do několik set nanometrů, nazývaných nano-věci. Internet nano věcí (IoNT), poprvé představený v [1], je navržen jako základ pro mnoho budoucích aplikací, zejména v oblasti armády, zdravotnictví a bezpečnosti, kde mohou být nanověci díky své omezené velikosti snadno se skryjí, implantují a rozptýlí v prostředí, kde mohou spolupracovat při detekci, ovládání, zpracování a vytváření sítí.
Zatímco nanočistoty mohou posunout konstrukci zařízení a systémů do bezprecedentních prostředí a měřítek, mají stejně jako jiná zařízení umělou povahu, protože jsou založeny na syntetizovaných materiálech, elektronických obvodech a interagují prostřednictvím elektromagnetické (EM) komunikace [1]. Tyto vlastnosti mohou být škodlivé pro určitá aplikační prostředí, například uvnitř těla nebo přírodních ekosystémů, kde by nasazení nanočástic a jejich elektromagnetické záření mohlo mít nepříznivé účinky na zdraví nebo znečištění.
V oblasti biologie je sledován nový směr výzkumu v oblasti konstrukce zařízení a systémů v nanoměřítku, který kombinuje nanotechnologii s nástroji syntetické biologie pro kontrolu, opětovné použití, modifikaci a reorganizaci biologických buněk [2]. Na základě analogie mezi biologickou buňkou a vestavěným počítačovým zařízením typickým pro IoT lze buňku efektivně použít jako substrát k dosažení toho, co se nazývá Bio-Nano-Thing, a to díky funkcím kontroly, opětovného použití a přepracování. biologických buněk, jako je snímání, ovládání, zpracování a komunikace.
Vzhledem k tomu, že buňky jsou založeny spíše na biologických molekulách a biochemických reakcích než na elektronice, očekává se, že koncept internetu bio-nano věcí (IoBNT), prezentovaný v tomto článku, bude změnou paradigmatu pro mnoho příbuzných oborů, jako jsou komunikace a síťové inženýrství, kterému je věnován tento článek. Provádění instrukcí na bázi DNA, zpracování biochemických dat, transformace chemické energie a výměna informací prostřednictvím přenosu a příjmu molekul, nazývaných molekulární komunikace (CM) [3] , jsou základem celé řady aplikací, které budou umožněny. od IoBNT, jako například:
- Intra-tělesné snímání a ovládání, kdy by Bio-Nano-Věci v lidském těle společně shromažďovaly informace související se zdravím, přenášely je externímu poskytovateli zdravotní péče přes internet a plnily by objednávky od stejného dodavatele, jako je syntéza léků a uvolnění.
- Kontrola konektivity uvnitř těla, kde bio-nano-věci opravují nebo předcházejí poruchám v komunikaci mezi našimi vnitřními orgány, jako jsou ty na bázi endokrinního a nervového systému, které jsou základem mnoha nemocí.
- Monitorování a čištění životního prostředí, kde by Bio-NanoThings nasazené v životním prostředí, jako je přirozený ekosystém, kontrolovaly přítomnost toxických látek a znečišťujících látek a společně transformovaly tyto látky prostřednictvím bioremediace, například bakterií používaných k čištění ropných skvrn.
Tento článek je uspořádán následovně. Za prvé, bio-nano-věci jsou definovány ve světle nástrojů, které jsou dnes k dispozici v oblasti syntetické biologie a nanotechnologie. Dále je podrobně popsána aplikace komunikačního inženýrství na návrh telekomunikací Bio-Nano-Things, zatímco jsou diskutovány výzvy inženýrství sítí Bio-Nano-Things a připojení k internetu. Za třetí popisujeme další výzkumné výzvy pro realizaci IoBNT. Nakonec článek uzavíráme.
Bio-Nano-Věci
V rámci IoBNT jsou bio-nano-věci definovány jako jedinečně identifikovatelné základní strukturální a funkční jednotky, které působí a interagují v biologickém prostředí. Očekává se, že bio-nano-věci, odvozené z biologických buněk a umožněné syntetickou biologií a nanotechnologií, budou plnit úkoly a funkce typické pro výpočetní zařízení zabudovaná v IoT, jako je snímání, zpracování, ovládání a interakce mezi nimi.
BIOLOGICKÉ BUŇKY JAKO SUBSTRÁTY PRO BIO-NANOTHING
Biologická buňka je základní jednotkou života, skládající se z membrány, která uzavírá směs vysoce specializovaných molekul, s definovaným chemickým složením a funkcí, které lze také organizovat do funkčních struktur [4]. Korespondence mezi komponentami typického IoT embedded počítačového zařízení a prvky buňky se stane zřejmou, pokud porovnáme šíření elektronů v polovodičích s funkčně podobnými, i když mnohem složitějšími biochemickými reakcemi. V této souvislosti, jak je znázorněno na obrázku 1, uvádíme několik příkladů.
Řídící jednotka, který obsahuje vestavěný software zařízení, by odpovídal genetickým instrukcím hustě zabaleným v molekulách DNA buněk, které kódují proteinové struktury, buněčné "datové jednotky" a regulační sekvence, podobně jako podmíněné výrazy softwaru.
Paměťová jednotka, který obsahuje datové hodnoty integrovaného systému, by odpovídal chemickému obsahu cytoplazmy, tedy vnitřku buňky, složeného z molekul syntetizovaných buňkou podle instrukcí DNA, a d jiné molekuly nebo struktury, například vezikuly, vyměněné s vnějším prostředím.
Procesní jednotka, který provádí softwarové instrukce a spravuje paměť a periferie, by odpovídal molekulárnímu aparátu, který z molekul DNA přes transkripci a translaci generuje molekuly proteinů, jejichž typ a koncentrace závisí na instrukcích.
Pohonná jednotka, která poskytuje energii potřebnou k udržení elektrických proudů v obvodech vestavěného systému, by odpovídala zásobníku v buňce molekuly adenosintrifosfátu (ATP), který je syntetizován buňkou z energie poskytované vnějším prostředím v různých forem a který poskytuje energii nezbytnou pro průběh biochemických reakcí buňky.
Transceivery, které umožňují integrovaným systémům výměnu informací, by odpovídaly specifickým řetězcům chemických reakcí, tedy signálním drahám, kterými si buňky vyměňují molekuly nesoucí informace.
Detekce a ovládání, které umožňují integrovaným systémům získávat data a interagovat s prostředím, by odpovídalo schopnosti buňky chemicky rozpoznávat vnější molekuly nebo fyzikální podněty, například světlo nebo mechanické namáhání, a modifikovat chemické vlastnosti prostředí nebo mechanicky interagovat prostřednictvím mobilních prvků, jako jsou bičíky, pili nebo řasinky.
POVOLENÉ TECHNOLOGIE A VÝZVY
Disciplína syntetické biologie poskytuje nástroje pro kontrolu, opětovné použití, modifikaci a reorganizaci struktury a funkce buněk a měla by umožnit inženýrům efektivně využívat biologické buňky jako programovatelné substráty pro realizaci Bio-Nano-Things jako integrovaných biologických počítačových zařízení [2 ]. Technologie sekvenování a syntézy DNA, které umožňují číst a zapisovat informace o genetickém kódu v molekulách DNA biologických buněk, nabízejí inženýrům stále otevřenější přístup k celé škále strukturních a funkčních instrukcí v základu života.
Zejména inženýrství syntetických biologických obvodů [5] prostřednictvím manipulace s genetickým kódem umožnilo programování funkcí specificky navržených pro vykonávání buňkami. Biologický okruh je soubor genů, které kódují proteiny a regulační sekvence, které spojují syntézu proteinů prostřednictvím mechanismů vzájemné aktivace a represe. Funkce dnes úspěšně vyvinuté biologickými obvody sahají od logických hradel AND a OR po různé typy nastavitelných oscilátorů, přepínačů a čítačů. Vývoj databází obsahujících charakterizované standardní prvky biologických obvodů se známými funkcemi a chováním, například BioBricks, a nástrojů pro jejich kombinování za účelem získání složitějších návrhů [6] posouvá syntetickou biologii k budoucímu vývoji podobnému tomu, který zažila konstrukce integrované elektrické obvody v elektronice. Výsledkem je, že inženýři budou moci brzy plně přistupovat k funkčnosti výše uvedených buněčných prvků a znovu používat buňky a jejich charakteristiky, aniž by potřebovali hluboké znalosti biotechnologie. Jednou z posledních hranic syntetické biologie je vývoj umělých buněk, umožněný mimo jiné nástroji nanotechnologie.
Umělé buňky mají ve srovnání s přírodními buňkami minimální funkčnost a strukturní komponenty a jsou sestavovány zdola nahoru zapouzdřením nezbytných prvků do biologických nebo plně syntetických obalových membrán [7]. Umělé buňky tedy mohou obsahovat genetickou informaci, související molekulární mechanismy pro jejich transkripci, translaci a replikaci a také všechny potřebné specializované molekuly a struktury. Očekává se, že umělé buňky umožní flexibilnější a kontrolovatelné použití syntetických biologických obvodů tím, že odstraní veškerou dodatečnou složitost přírodních buněk, která není nezbytná k provádění navržených funkcí.
Bien že je stále v rané fáziTato technologie byla úspěšně aplikována například pro podávání léků, genovou terapii a produkci umělých krvinek a očekává se, že poskytne ideální substráty pro syntetickou biologii s předvídatelnějším chováním. Ačkoli jsou výše uvedené technologie velmi slibné, musí poskytnout řešení hlavních výzev biotechnologického a inženýrského výzkumu, než budou považovány za spolehlivé nástroje pro realizaci bionano věcí. Z pohledu inženýrského designu je jednou z hlavních výzev vyvinout spolehlivé matematické a fyzikální modely, stejně jako prostředí počítačové simulace, schopné zachytit konkrétní charakteristiky biologických procesů, které jsou základem umělých buněk, jako jsou vnitřní nelineární jevy a procesy, jejichž výsledky jsou hlučné. Kromě toho se umělé buňky, podobné buňkám přirozeným, reprodukují a mutují, to znamená, že mají tendenci náhodně měnit části svých genetických programů a vyvíjejí se selektivně, to znamená, že mají tendenci uchovávat si nejlepší mutace pro své přežití při reprodukci, což přidává možné problémy, ale i nové stupně volnosti pro konstruktéra biologických zařízení.
Další výzva ke zvážení souvisí s bioetikou a bezpečností, protože uměle vytvořené organismy, které se vyvíjejí autonomně, by mohly představovat hrozbu pro přírodní ekosystémy nebo se dokonce stát novými patogeny. Nedávný vývoj „zabíjet“ spínačů v biologických okruzích, schopných zastavit buněčnou reprodukci nebo spustit destrukci buňky na vnější příkaz, řeší tyto problémy jen částečně.
Bio-NanoThings komunikace
Základem konceptu IoBNT je potřeba, aby Bio-Nano-Věci spolu komunikovaly a interagovaly na základě vyměňovaných informací. Vzhledem k tomu, že Bio-Nano-Things jsou odvozeny z inženýrství biologických buněk, jak je uvedeno výše, přírodní prostředí je hlavním zdrojem inspirace pro studium komunikačních technik pro IoBNT.
MOLEKULÁRNÍ KOMUNIKACE V PŘÍRODĚ
V přírodě je výměna informací mezi buňkami založena na syntéze, transformaci, emisi, šíření a příjmu molekul prostřednictvím biochemických a fyzikálních procesů. Tato výměna informací, nedávno klasifikovaná v telekomunikačním inženýrství jako molekulární komunikace [1], umožňuje buňkám interakci a koordinaci jednobuněčných a mnohobuněčných organismů, populací a vícebuněčných konsorcií a podílí se na většině hlavních buněčných funkcí, jako je např buněčný růst a proliferace.
CM v buňkách je založena na výše uvedených signálních drahách, což jsou řetězce chemických reakcí, které zpracovávají informační signály modulované do chemických charakteristik, jako je koncentrace, typ a energetický stav molekul, a šíří se ze zdroje nebo vysílače do určení nebo příjemce [4]. Buněčné signální dráhy lze klasifikovat na základě vzdálenosti mezi zdrojem a cílem: intrakrinní (zdroj a cíl jsou ve stejné buňce), juxtrakrinní (zdroj a cíl jsou buňky, které jsou ve vzájemném kontaktu), parakrinní (zdroj a cíl jsou blízko sebe, ale nejsou v kontaktu) nebo endokrinní (zdroj a cíl jsou daleko od sebe) .
Příklad komunikace intrakrinní je dán intracelulárním transportem molekul nebo struktur molekul provozovaných molekulárními motory cytoskeletu. Molekulární motory jsou specializované intracelulární proteiny schopné přeměnit výše uvedené molekuly ATP na mechanickou energii. Cytoskeletální molekulární motory jsou schopné vázat se na konkrétní náklad, jako jsou vezikuly obklopující sady molekul nebo celé buněčné organely, připojující se ke strukturám mikrovlákna, které tvoří buněčnou kostru, a plazit se po nich, aby přepravily náklad z jádra do buněčné membrány a naopak.
Výměna molekul, jako jsou vápenaté ionty Ca2+, mezi dvěma buňkami spojenými mezerovými spoji v jejich membráně, je příkladem juxtakrinní komunikace. Několik příkladů v přírodě, jako je signalizace během srdeční kontrakce mezi svalovými buňkami nebo myocyty, ukazuje, jak může malé množství molekul cirkulovat difúzí mezi sousedními buňkami a být zodpovědné za synchronizaci kontaktních detailů akcí.
Bakterie vykazují v přírodě několik způsobů komunikace, jako je parakrinní komunikace, která je základem emise signálních molekul nazývaných autoinduktory členy populace. V tomto procesu, nazývaném bakteriální quorum sensing, autoinduktory difundují do mezibuněčného prostoru a po obdržení umožňují bakteriím odhadnout hustotu populace a mít korelovanou odpověď, jako je produkce specifických typů proteinů. Bakterie si také mohou vyměňovat specifické molekuly DNA, tj. plazmidy, prostřednictvím přímého kontaktu, prostřednictvím procesu zvaného konjugace, a transportovat plazmidy k jiným vzdáleným bakteriím v mezibuněčném prostoru plaváním po chemických stezkách, prostřednictvím procesu zvaného chemotaxe.
U mnohobuněčných organismů je příkladem endokrinní komunikace signální molekuly zvané hormony, které jsou emitovány buňkami tvořícími žlázy, šíří se oběhovým systémem a jsou přijímány buňkami ve vzdálených orgánech, kde způsobují specifické reakce, jako je zvýšená růst a reprodukci buněk.
MOLEKULÁRNÍ KOMUNIKAČNÍ INŽENÝRSTVÍ PRO IOBNT
V rámci IoBNT se očekává, že Bio-Nano-Things budou vzájemně interagovat výměnou různých typů informací, např. časových signálů, hodnot detekovaných chemických/fyzikálních parametrů, výsledků operační logiky a sad instrukcí a příkazů. Techniky inženýrské komunikace na podporu těchto interakcí v biologickém prostředí musí vycházet z řešení nalezených v přírodě, jako jsou ta popsaná výše.
Jednou z hlavních výzev je pochopit, jak lze tato přirozená řešení ovládat, upravovat nebo předělávat pro přenos informací, které se mohou lišit od informací přírody. Na základě výše uvedených nástrojů, které jsou vyvinuty v syntetické biologii a nanotechnologii, začali inženýři v poslední době analyzovat několik možností pro vytvoření MC systémů, tj. genetickým přeprogramováním chování buněk jako součást jejich přirozené komunikace [8], nebo vývojem zcela nových umělé komunikační systémy sestavováním přirozených biologických komponent [9].
Dosud zvažované příklady MC systémů lze klasifikovat na základě vzdálenosti, kterou mají pokrýt mezi vysíláním a příjmem. Například řízení juxtrakrinní komunikace prostřednictvím genetického programování biologických buněk může umožnit konstrukci sítí, kde jsou Bio-Nano-Věci ve vzájemném kontaktu, například když jsou organizovány v tkáni nebo biofilmu [10]. Tato technika CM, která obecně odkazuje na výše zmíněnou výměnu Ca2+ znázorněnou na obrázku 2a, pokrývá vzdálenosti úměrné tloušťce buněčných membrán a lze ji považovat za CM s velmi krátkým dosahem (desítky až stovky nm). Výše uvedené cytoskeletální molekulární motory lze zvážit pro realizaci komunikace na krátkou vzdálenost (nm-mm) [11], jak je znázorněno na obrázku 2b, pro pokrytí intrakrinní komunikace Bio-NanoThings.
Komunikační inženýři také zkombinovali výše popsané modely bakteriální konjugace a chemotaxe, aby teoreticky studovali možný umělý systém MC, který lze podle známých charakteristik chemotaxe považovat za pokrývající střední rozsah (mm-mm) [9]. Konkrétně je informace reprezentována v molekulách DNA, tj. plasmidech, které jsou načteny do bakterií na vysílači a extrahovány z těchto bakterií na receptoru procesem konjugace.
Tyto bakterie jsou schopny plavat chemotakticky směrem k receptoru po uvolnění specifických molekul, tj. chemoatraktantů, receptorem, jak je znázorněno na obrázku 2c. Příklad systému MC s dlouhým dosahem (mm-m) byl předvídán z hormonální komunikace v rámci lidského endokrinního systému [12], jak je znázorněno na obrázku 2d. Z pohledu telekomunikačního inženýrství je jednou z hlavních výzev integrovat CM do klasických prvků technického komunikačního systému a používat nástroje teorie systémů a informace v konečném cíli modelovat a analyzovat klíčové telekomunikační charakteristiky a výkon, jako je např. rozsah, zpoždění (latence), kapacita, propustnost a bitová chybovost [13].
Znalost těchto charakteristik pak umožní porovnat a klasifikovat různé možné techniky výroby MC pro různé scénáře aplikací IoBNT a optimalizovat jejich návrh a výrobu. Příklady výše uvedeného mapování jsou znázorněny na obrázku 3, kde jsou hlavní procesy zapojené do každého výše popsaného systému MC rozděleny do komunikačních prvků následovně. Kódování a dekódování souvisí s tím, jak je informace, která má být přenášena, reprezentována v jedné nebo více charakteristikách molekul, jako jsou sady určitých typů a počtu molekul (molekulární motory a hormonální komunikace), složení biologických makromolekul, jako jsou DNA plazmidy (konjugace a chemotaxe bakterií), nebo koncentrace uvolněných molekul (výměna Ca2+).
Přenos a příjem zahrnují chemické a fyzikální procesy pro zahájení šíření molekul, např. zapouzdření ve váčkách pro motorizovaný molekulární transport, uvolňování molekul do tekutiny, jako je průtok krve, nebo spojením mezi dvěma sousedními buňkami nebo uvolňování. bakterií v přítomnosti molekul chemoatraktantu v prostředí.
A konečně, propagace se týká mobilizace molekul přenášejících informace z místa vysílače do přijímače, například prostřednictvím molekulárního motoru plazícího se po strukturách mikrofilamentů, difúze přes membránové spoje, difúze a advekce v krevním toku a bakteriální chemotaxe směrem k zdroj chemoatraktantu (receptor).
Přestože velká část literatury v oblasti mobilních komunikací byla věnována modelování a analýze výše uvedených systémů pomocí zjednodušujících předpokladů, které zvyšují matematickou sledovatelnost základních fyzikálních a chemických jevů, je před námi ještě dlouhá cesta. komunikačního inženýra, aby plně pochopil, jak navrhovat realistické mobilní systémy pro komunikaci IoBNT.
Hlavní výzvy se týkají převedení těchto zjednodušených modelů na realističtější scénáře. Například modely volné difúze dosud zvažované v MC inženýrství pro šíření a reakci molekul v intracelulárním prostředí, např. v Ca2+ komunikaci, je třeba revidovat tak, aby zahrnovaly realističtější jevy, jako je vliv vysokých koncentrací makromolekul, např. například proteiny, nazývané makromolekulární shlukování. Dalším příkladem je endokrinní propagace, dosud uvažovaná pro malou podskupinu dobře definovaných krevních cév, kde by modely měly brát v úvahu nejen celou průměrnou fyziologii kardiovaskulárního systému člověka, ale také skutečnost, že specifické vlastnosti každého jednotlivec může způsobit velmi odlišnou dynamiku šíření.
Podobně modely bakteriální chemotaxe dosud používané v MC inženýrství jsou založeny pouze na chování a vlastnostech jednotlivých bakterií a prostředí in vitro, zatímco je třeba vzít v úvahu realističtější prostředí, jako je lidské tělo, a skutečnost, že bakterie mohou dynamicky se replikují a proliferují a interagují ve vícedruhových konsorciích. Nelineární povaha mnoha biochemických jevů a přítomnost velmi odlišných zdrojů hluku, jako jsou genetické mutace, ve srovnání s klasickými systémy představují další výzvy pro vývoj spolehlivých analytických nástrojů pro inženýrství MC.
SÍTĚ BIO-NIC A INTERNET
V rámci IoBNT se očekává, že bio-nano-věci budou nejen komunikovat mezi sebou, ale také interagovat v sítích, které se nakonec propojí s internetem. Za tímto účelem je základním krokem ve vývoji IoBNT definování síťových architektur a protokolů z výše uvedených systémů MC. Další výzvou pro IoBNT je propojení heterogenních sítí, tedy složených z různých typů Bio-NanoThings a založených na různých MC systémech.
Konečně vytvoření rozhraní mezi elektrickou doménou internetu a biochemickou doménou sítí IoBNT bude tvořit konečnou hranici k vytvoření transparentního propojení mezi dnešním kybernetickým světem a biologickým prostředím. Obrázek 4 ukazuje možný scénář, ve kterém je kompletní IoBNT, složený z několika sítí založených na různých systémech MC, nasazen uvnitř lidského těla a propojen prostřednictvím osobního elektrického zařízení připojeného k internetu, aby poskytoval parametry stavu uvnitř těla (a přijímá příkazy a pokyny) poskytovateli zdravotní péče (od).
VÝZVY, KTERÉ JE TŘEBA ŘEŠIT PŘI VYTVÁŘENÍ BIO-SÍTÍ
Zatímco inženýrství počítačových sítí je dobře zavedenou oblastí, kde bylo poskytnuto několik různých řešení pro mnoho různých technologií a aplikačních scénářů, návrh sítě v biologickém prostředí a založený na paradigmatu MC jako podpůrné fyzice představuje pro síťovou komunitu nové výzvy. . Například molekulární informace obecně nesleduje předvídatelné a definované směry šíření, jako je tomu u elektromagnetických signálů v klasické komunikaci [13].
Difúze molekul, bakteriální chemotaxe a vlákna, která podporují molekulární motory, mají tendenci pokrývat náhodné vzory mezi zdrojem a cílem. Tato a další zvláštnosti, jako je nelineární povaha mnoha biochemických jevů, ztěžují použití konvenčních technik k regulaci přístupu Bio-NanoThings ke sdíleným médiím, jako jsou tekutiny, řešení Bio-NanoThings a návrh informací. doručovací mechanismy, které jsou důležitými základními aspekty počítačových sítí.
Stejně jako u systémů MC bude možným řešením modelování, analýza a opětovné použití mechanismů interakce více buněk v přírodě, například v bakteriálních populacích [14] a vícedruhových konsorciích nebo v tkáních mnohobuněčných organismů informace od IoBNT.
V tomto směru by řešení pro propojení heterogenních sítí Bio-NanoThing, založených na různých MC systémech, mohlo stejně snadno vyjít z přirozeného způsobu, jakým naše tělo spravuje a spojuje několik typů informací pro udržení stabilního stavu a zdraví. nebo homeostázy [4]. Tyto intrakorporální procesy umožňují heterogenní komunikaci v různých měřítcích, od intrakrinní komunikace v buňce až po juxtakrinní komunikaci v tkáních, včetně endokrinní komunikace mezi různými orgány. Například buňky v hypofýze provádějí tento typ translace tím, že uvolňují hormony do tělesných orgánů, aby řídily několik procesů, jako je růst, krevní tlak, teplota a spánkové vzorce, v důsledku příjmu jiných hormonů z buněk. přilehlé hypotalamické tkáně.
Biologické obvody založené na těchto procesech by mohly efektivně poskytnout sadu genetických instrukcí napodobujících klasické brány mezi různými podsítěmi internetu. Obrázek 5a znázorňuje obecný příklad umělé buňky, která převádí informace kódované v molekulách emitovaných umělými bakteriemi do hormonů, které mohou být vylučovány do oběhového systému.
V tomto návrhu by receptory zachytily přicházející molekuly, které by kaskádou chemických reakcí aktivovaly biologický okruh, který by zase syntetizoval proteiny schopné spouštět chemické reakce nezbytné pro produkci hormonů.
VÝZVY BIO-KYBER ROZHRANÍ
Bio-kybernetické rozhraní je zde definováno jako soubor procesů nezbytných k překladu informací z biochemické domény sítí Bio-NanoThing do kybernetické domény internetu, která je založena na elektrických obvodech a elektromagnetické komunikaci a naopak. Jedna z hlavních výzev pro realizaci těchto rozhraní spočívá v inženýrství chemických a fyzikálních procesů schopných přesně číst charakteristiky molekul, kde je informace zakódována, a převádět je do modulace elektromagnetických parametrů. Možné řešení v tomto směru by mohly přinést nové chemické a biologické senzory umožněné nanotechnologiemi, které slibují bezprecedentní snímací schopnosti [15].
Tyto senzory jsou obecně složeny z materiálů charakterizovaných elektrickými nebo elektromagnetickými vlastnostmi, které mohou být modifikovány přítomností specifických molekul nebo komplexů molekul, jako jsou biologické receptory spojené s molekulami, a podle toho modulovat proud v elektrickém obvodu. Hlavní problémy při použití této snímací technologie pro aplikace IoBNT spočívají v jejich současné vysoké latenci, nízké selektivitě, nedostatku standardizované odezvy a co je nejdůležitější, jejich neznámé biokompatibilitě, která bude zkoumána dále. Biokompatibilita, zde chápaná jako vlastnost technického systému omezit své působení na biologické prostředí výhradně na zamýšlenou funkci, bez nežádoucích změn biologických parametrů, je další výzvou pro nasazení bio-kybernetických rozhraní, zejména pro aplikace IoBNT. uvnitř těla, jak ukazuje obrázek 4. Vzhledem k omezené velikosti výše zmíněných nanosenzorů a slibným výsledkům současného výzkumu elektromagnetických (EM) nanokomunikací zvažujeme možnost vývoje bio-kybernetických rozhraní zapouzdřením biologických nanosenzorů a EM nanokomunikačních jednotek do výše uvedených umělých buněk, jak je znázorněno na obrázku 5b.
V tomto návrhu by biologický nanosenzor odpovídal za rozhraní mezi chemickou a elektrickou doménou, EM nanokomunikační jednotka by bezdrátově komunikovala s elektrickými zařízeními mimo biologické prostředí a umělá buňka by zajišťovala biokompatibilitu. Potíž však spočívá ve schopnosti produkovat dostatečný výkon pro bezdrátový vysílač k vyzařování elektromagnetických vln schopných se šířit přes membránu umělé buňky.
Současně jsou také potřebné přístupy ke sběru energie potřebné pro vysílací jednotku uvnitř buňky. Dalším řešením je přesunout elektrickou/elektromagnetickou doménu do fyzického rozhraní mezi biologickým prostředím a vnějším světem, jako je kůže pro intrakorporální aplikace IoBNT. V tomto směru by elektronická tetování, podobná těm, která jsou založena na technologii radiofrekvenční identifikace (RFID), která uživatelům umožňuje ověřit blízká zařízení, mohla obsahovat bio-kybernetické rozhraní schopné detekovat biochemické informace z buněk epidermis, potních žláz nebo nervů. konce a bezdrátově je sdělovat externím elektronickým zařízením umístěným v blízkosti.
DALŠÍ VÝZVY
Nyní krátce probereme některé další výzvy pro vývoj IoBNT. Technologie umožňující IoBNT diskutované v tomto článku by mohly představovat vážné bezpečnostní problémy, pokud by byly manipulovány se zlými úmysly. Nový typ terorismu, který nazýváme bio-kybernetický terorismus, by mohl efektivně využít mnoha možností, které IoBNT nabízí ke kontrole a interakci s biologickým prostředím.
Například Bio-NanoThings by mohly být použity pro přístup k lidskému tělu a krádež osobních zdravotních informací nebo dokonce vytvoření nových nemocí. Navíc by mohly být vytvořeny nové typy virů, které by mohly unést již nasazené IoBNT.
Výzkum v oblasti IoBNT by měl nutně řešit tyto problémy kombinací metod zajištění bezpečnosti aplikovaných v dnešních počítačových sítích s bezpečnostními řešeními vyvinutými evolucí přírody, jako je lidský imunitní systém. Implementace lokalizačních a sledovacích technik v rámci IoBNT, podobně jako Wireless Sensor Networks (WSN), by mohla umožnit důležité aplikace související například s monitorováním lokalizace nemocí v těle nebo s identifikací umístění a distribuce toxických látek. v prostředí.
Řešení by mohlo přijít z inženýrské chemotaxe do Bio-Nano-Things, založené na již zmíněné schopnosti bakterií lokalizovat a sledovat zdroje konkrétních typů molekul, kterými by mohly být například biomarkery uvolňované rakovinnými nebo infikovanými buňkami. V souladu s vizí „propojené vše“ je konečným cílem propojit paradigmata IoBNT a IoNT s IoT.
Jednou z výzev integrace zařízení v nanoměřítku je velké množství informací, které z toho vyplynou, čímž se výzvy správy „velkých dat“ posouvají na další úroveň. Kromě zvýšení množství dat bude potřeba navrhnout nové služby, aby se vytvořila sémantická korespondence mezi různými typy dat, které budou IoBNT a IoNT přenášet do IoT. K prohledávání hlubokých biologických prostředí a interakci s umělými biologickými entitami, aby bylo možné jednat nebo shromažďovat informace, budou také zapotřebí nová řešení pro vyhledávání služeb.
Například Bio-NanoThings by mohly být použity k přístupu k lidskému tělu a ke krádeži osobních informací souvisejících se zdravím nebo dokonce k vytvoření nových nemocí. Navíc by mohly být vytvořeny nové typy virů, které by mohly unést již nasazené IoBNT.
Výzkum v oblasti IoBNT by měl nutně řešit tyto problémy kombinací metod zajištění bezpečnosti aplikovaných v dnešních počítačových sítích s bezpečnostními řešeními vyvinutými evolucí přírody, jako je lidský imunitní systém. Implementace lokalizačních a sledovacích technik v rámci IoBNT, podobně jako Wireless Sensor Networks (WSN), by mohla umožnit důležité aplikace související například s monitorováním lokalizace nemocí v těle nebo s identifikací umístění a distribuce toxických látek. v prostředí.
Řešení by mohlo přijít z inženýrské chemotaxe do Bio-Nano-Things, založené na již zmíněné schopnosti bakterií lokalizovat a sledovat zdroje konkrétních typů molekul, kterými by mohly být například biomarkery uvolňované rakovinnými nebo infikovanými buňkami. V souladu s vizí „propojené vše“ je konečným cílem propojit paradigmata IoBNT a IoNT s IoT.
Jednou z výzev integrace zařízení v nanoměřítku je velké množství informací, které z toho vyplynou, čímž se výzvy správy „velkých dat“ posouvají na další úroveň. Kromě zvýšení množství dat bude potřeba navrhnout nové služby, aby se vytvořila sémantická korespondence mezi různými typy dat, které budou IoBNT a IoNT přenášet do IoT. K prohledávání hlubokých biologických prostředí a interakci s umělými biologickými entitami, aby bylo možné jednat nebo shromažďovat informace, budou také zapotřebí nová řešení pro vyhledávání služeb.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Zatímco internet věcí (IoT) umožňuje všudypřítomnou konektivitu fyzických prvků reálného světa mezi sebou a s internetem, Internet nano věcí navrhuje posunout limity tohoto konceptu na nanometrická zařízení založená na nanotechnologii, která mohou být snadno se skrývají, implantují a šíří v prostředí. V tomto článku jsme představili další koncept, koncept internetu bio-nano-věcí, ve kterém se syntetická biologie a nanotechnologie spojují za účelem vývoje objektů založených na kontrole, opětovném použití, modifikaci a přepracování biologických buněk.
Tento článek popisuje výzvy spojené s realizací těchto objektů, a co je důležitější, umožněním jejich komunikace a vytváření sítí pomocí technik měnících paradigma v oblasti komunikačního a síťového inženýrství. Věříme, že výzkumná oblast IoBNT, i když je stále v plenkách, vyústí v technologii, která změní hru pro společnost zítřka.
REFERENCE
[1] IF Akyildiz a JM Jornet, „Internet of Nano-Things“, IEEE Wireless Commun, sv. 17, č. 6, prosinec 2010, str. 58-63.
[2] LJ Kahl a D. Endy, „A Survey of Enabling Technologies in Synthetic Biology“, J. Biological Engineering, sv. 7, č. 1, květen 2013, str. 13.
[3] IF Akyildiz, F. Brunetti a C. Blazquez, „Nanonetworks: A New Communication Paradigm“, Computer Networks, sv. 52, č.p. 12, srpen 2008, str. 2260-79.
[4] DL Nelson a MM Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, WH Freeman, 2005, str. 425-29.
[5] CJ Myers, Engineering Genetic Circuits, Chapman & Hall/CRC, řada matematické a výpočetní biologie, 2009.
[6] D. Baker a kol., Engineering Life: Building A Fab for Biology, Scientific American, sv. 294, č.p. 6, červen 2006, str. 44-51.
[7] F. Wu a C. Tan, „The Engineering of artificial Cellular Nanosystems Using Synthetic Biology Approaches“, WIREs Nanomedicine and Nanobiotech, sv. 6, č. 4, červenec/srpen 2014.
[8] M. Pierobon, „Systémově teoretický model biologického obvodu pro molekulární komunikaci v nanosítích“, Nano Communication Networks (Elsevier), sv. 5, č. 1-2, březen-červen 2014, str. 25-34.
[9] M. Gregori a IF Akyildiz, „A New NanoNetwork Architecture using Flagellated Bacteria and Catalytic Nanomotors“, IEEE JSAC, sv. 28, č. 4, květen 2010, str. 612-19.
[10] M. Barros a kol., „Transmission Protocols for Calcium-Signaling-based Molecular Communications in Deformable Cellular Tissue“, IEEE Trans. Nanotechnologie, sv. 13, č. 4, květen 2014, str. 779-88.
[11] MJ Moore, T. Suda a K. Oiwa, „Molecular Communication: Modeling Noise Effects on Information Rate“, IEEE Trans. Nanobioscience, sv. 8, č. 2, červen 2009, str. 169-80.
[12] Y. Chahibi a kol., „Model molekulárního komunikačního systému pro systémy dodávání částicových léků“, IEEE Trans. Biomedicínské inženýrství, sv. 60, č. 12, 2013, str. 3468-83.
[13] M. Pierobon a IF Akyildiz, „Fundamentals of Diffusion-Based Molecular Communication in Nanonetworks“, Now Publishers Inc, ISBN-10: 1601988168, ISBN-13: 978-1601988164, Apr. 2014, 164 stran.
[14] IF Akyildiz a kol., „MoNaCo: Základy molekulárních nanokomunikačních sítí“, IEEE Wireless Commun. Mag., sv. 19, č. 5, říjen 2012, str. 12-18.
[15] CR Yonzon a kol., „Towards Advanced Chemical and Biological Nanosensors – An Overview“, Talanta, sv. 67, č.p. 3, září 2005, str. 438-48.
BIOGRAFIE
POKUD AKYILDIZ je vedoucím katedry telekomunikací Kena Byerse na Fakultě elektrotechniky a počítačového inženýrství na Georgia Institute of Technology v Atlantě, ředitelem laboratoře pro širokopásmové bezdrátové sítě (BWN) a prezidentem telekomunikační skupiny v Georgia Tech. Od roku 2013 je profesorem FiDiPro (FiDiPro Program (FiDiPro) podporovaný Finskou akademií) na katedře elektroniky a komunikačního inženýrství, Tampere University of Technology, Finsko. Je členem IEEE (1996) a ACM (1997). Získal řadu ocenění od IEEE a ACM. Jeho současný výzkum se zaměřuje na nanosítě, komunikační sítě v pásmu TeraHertz, celulární systémy 5G a bezdrátové senzorové sítě.
Pane PIEROBONE získal doktorát v oboru elektrotechniky a počítačového inženýrství na Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, v roce 2013, a magisterský titul v oboru telekomunikačního inženýrství na Politecnico di Milano, Milán, Itálie, v roce 2005. V současné době je odborným asistentem na katedře z informatiky a inženýrství z University of Nebraska-Lincoln. Je šéfredaktorem IEEE Transactions on Communications. Je členem IEEE, ACM a ACS. Jeho současný výzkum se zaměřuje na teorii molekulární komunikace pro nanosítě, komunikační inženýrství aplikované na inteligentní systémy dodávání léků a telekomunikační inženýrství aplikované na komunikaci mezi buňkami.
S. BALASUBRAMANIAM získal titul BSc (Elektrotechnické a elektronické inženýrství) a PhD tituly na University of Queensland v roce 1998, respektive 2005, a titul MSc (Computer and Communications Engineering) v roce 1999 na Queensland University of Technology. V současnosti je vedoucím výzkumným pracovníkem v Centru nanokomunikace, Ústavu elektronického a komunikačního inženýrství, Tampere University of Technology (TUT), Finsko. Byl spolupředsedou TPC pro ACM NANOCOM 2014 a IEEE MoNaCom 2011. V současnosti je redaktorem IEEE Internet of Things a Elsevier's Nano Communication Networks. Jeho současný výzkum se zaměřuje na bio-inspirované komunikační sítě a molekulární komunikaci.
Y. KOUCHERYAVY (
Zdroj: activistpost.com
Obchodní podmínky
PŘIHLÁSIT SE K ODBĚRU
Zpráva
Moje komentáře