Biologische computermachines, zoals micro- en nano-implantaten die belangrijke informatie in het menselijk lichaam kunnen verzamelen, transformeren de geneeskunde. Toch is het netwerken voor communicatie een uitdaging gebleken. Nu heeft een wereldwijd team, waaronder EPFL-onderzoekers, een protocol ontwikkeld dat een moleculair netwerk met meerdere zenders mogelijk maakt.

Eerst was er het Internet of Things (IoT) en nu, op het grensvlak van informatica en biologie, belooft het Internet of Bio-Nano Things (IoBNT) een revolutie teweeg te brengen in de geneeskunde en de gezondheidszorg. De IoBNT verwijst naar biosensoren die gegevens verzamelen en verwerken, Labs-on-a-Chip op nanoschaal die medische tests in het lichaam uitvoeren, het gebruik van bacteriën om biologische nanomachines te ontwerpen die ziekteverwekkers kunnen detecteren, en nanorobots die zwemmen via de bloedbaan om gerichte medicijnafgifte en -behandeling uit te voeren.

"Over het algemeen is dit een heel, heel spannend onderzoeksveld", legt assistent-professor Haitham Al Hassanieh, hoofd van het Laboratorium voor Sensing- en Netwerksystemen aan de EPFL School of Computer and Communication Sciences (IC) uit. "Met de vooruitgang op het gebied van bio-engineering, synthetische biologie en nanotechnologie is het idee dat nano-biosensoren een revolutie teweeg zullen brengen in de geneeskunde, omdat ze plaatsen kunnen bereiken en dingen kunnen doen die huidige apparaten of grotere implantaten niet kunnen", vervolgde hij.

Maar hoe opwindend dit baanbrekende onderzoeksveld ook is, er blijft een enorme, fundamentele uitdaging bestaan:als je een nanorobot in iemands lichaam hebt, hoe ga je ermee communiceren? Traditionele technieken, zoals draadloze radio's, werken goed voor grote implantaten zoals pacemakers of defibrillatoren, maar kunnen niet worden opgeschaald naar micro- en nano-afmetingen, en draadloze signalen dringen niet door lichaamsvloeistoffen heen.

Maak kennis met wat biomoleculaire communicatie wordt genoemd, geïnspireerd door het lichaam zelf. Het maakt geen gebruik van elektromagnetische golven, maar van biologische moleculen als dragers en als informatie, en bootst de bestaande communicatiemechanismen in de biologie na. In zijn eenvoudigste vorm codeert het "1"- en "0"-bits door moleculaire deeltjes wel of niet in de bloedbaan vrij te geven, vergelijkbaar met AAN-UIT-sleutelen in draadloze netwerken.

"Biomoleculaire communicatie is het meest geschikte paradigma gebleken voor het netwerken van nano-implantaten. Het is een ongelooflijk idee dat we gegevens kunnen verzenden door deze te coderen in moleculen die vervolgens door de bloedbaan gaan en met hen kunnen communiceren, hen kunnen begeleiden waar ze heen moeten en wanneer ze hun behandelingen moeten vrijgeven, net als hormonen', zei Al Hassanieh.

Onlangs presenteerden Al Hassanieh en zijn team, in samenwerking met onderzoekers in de Verenigde Staten, hun paper ‘Towards Practical and Scalable Molecular Networks’ op ACM SIGCOMM 2023, een jaarlijkse conferentie over datacommunicatie, waarin zij hun MoMA (Molecular Multiple Access) protocol dat een moleculair netwerk met meerdere zenders mogelijk maakt.

"Het meeste bestaande onderzoek is erg theoretisch en werkt niet omdat de theorieën geen rekening houden met biologie", legt Al Hassanieh uit. "Elke keer dat het hart pompt, is er bijvoorbeeld een trilling en verandert het lichaam zijn interne communicatiekanaal. De meeste bestaande theorieën gaan ervan uit dat het kanaal waar je de moleculen naartoe stuurt erg stabiel is en niet verandert. Het verandert eigenlijk heel snel."

Met MoMA introduceerde het team pakketdetectie, kanaalschatting en coderings-/decoderingsschema's die gebruik maken van de unieke eigenschappen van moleculaire netwerken om bestaande uitdagingen aan te pakken. Ze evalueerden het protocol op een synthetisch experimenteel testbed – geëmuleerde bloedvaten met buizen en pompen – wat aantoonde dat het tot vier zenders kan opschalen en tegelijkertijd aanzienlijk beter presteert dan de modernste technologie.

De onderzoekers erkennen dat hun huidige synthetische testbed mogelijk niet alle uitdagingen kan opvangen die gepaard gaan met het ontwerpen van protocollen voor moleculaire netwerken en dat in-vivo testen van micro-implantaten en microvloeistoffen in natte laboratoria nodig is om praktische en inzetbare moleculaire netwerken te realiseren. Ze geloven echter dat ze de eerste stappen in de richting van deze visie hebben gezet en dat hun inzichten voor het ontwerpen van moleculaire netwerken stand zullen houden, aangezien de onderliggende diffusie- en vloeistofdynamicamodellen in hun testbed fundamenteel zijn voor moleculaire communicatie.

"Ik ben erg enthousiast over dit gebied omdat het een nieuwe vorm van communicatie is. We zijn een systeemgroep, we houden ervan dingen te bouwen en ze werkend te krijgen. Het heeft tijd gekost om de expertise die we hebben op het gebied van biomoleculaire communicatie te ontwikkelen, maar nu zijn we in het stadium waar we medewerkers vinden en dingen in beweging kunnen brengen. Mensen denken dat dit sciencefiction is, maar het evolueert snel naar een wetenschappelijk feit,' concludeerde Al Hassanieh.

Meer informatie: Jiaming Wang et al, Towards Practical and Scalable Molecular Networks, Proceedings of the ACM SIGCOMM 2023 Conference (2023). DOI:10.1145/3603269.3604881

Aangeboden door Ecole Polytechnique Federale de Lausanne