Le macchine informatiche biologiche, come i micro e i nano-impianti in grado di raccogliere informazioni importanti all’interno del corpo umano, stanno trasformando la medicina. Tuttavia, collegarli in rete per la comunicazione si è rivelato impegnativo. Ora, un team globale, che comprende ricercatori dell'EPFL, ha sviluppato un protocollo che consente una rete molecolare con più trasmettitori.
Prima c’era l’Internet delle cose (IoT) e ora, all’interfaccia tra informatica e biologia, l’Internet delle bio-nano cose (IoBNT) promette di rivoluzionare la medicina e l’assistenza sanitaria. L'IoBNT si riferisce a biosensori che raccolgono ed elaborano dati, Labs-on-a-Chip su scala nanometrica che eseguono test medici all'interno del corpo, l'uso di batteri per progettare nanomacchine biologiche in grado di rilevare agenti patogeni e nano-robot che nuotano attraverso il flusso sanguigno per eseguire la somministrazione e il trattamento mirati dei farmaci.
"Nel complesso, questo è un campo di ricerca molto, molto interessante", ha spiegato il professore assistente Haitham Al Hassanieh, capo del Laboratorio di sistemi di rilevamento e di rete presso la Scuola di scienze informatiche e della comunicazione (IC) dell'EPFL. "Con i progressi nella bioingegneria, nella biologia sintetica e nella nanotecnologia, l'idea è che i nanobiosensori rivoluzioneranno la medicina perché possono raggiungere luoghi e fare cose che i dispositivi attuali o gli impianti più grandi non possono", ha continuato.
Tuttavia, non importa quanto sia entusiasmante questo campo di ricerca all'avanguardia, rimane una sfida enorme e fondamentale:quando hai un nano-robot nel corpo di qualcuno, come comunichi con lui? Le tecniche tradizionali, come le radio wireless, funzionano bene per impianti di grandi dimensioni come pacemaker o defibrillatori, ma non possono essere adattate alle micro e nano dimensioni e i segnali wireless non penetrano attraverso i fluidi corporei.
Entra in quella che viene chiamata comunicazione biomolecolare, ispirata dal corpo stesso. Non utilizza onde elettromagnetiche ma molecole biologiche sia come vettori che come informazioni, imitando i meccanismi di comunicazione esistenti in biologia. Nella sua forma più semplice, codifica i bit "1" e "0" rilasciando o meno particelle molecolari nel flusso sanguigno, in modo simile alla chiave ON-OFF nelle reti wireless.
"La comunicazione biomolecolare è emersa come il paradigma più adatto per mettere in rete i nano-impianti. È un'idea incredibile poter inviare dati codificandoli in molecole che poi passano attraverso il flusso sanguigno e possiamo comunicare con loro, guidandoli su dove andare e quando rilasciare i loro trattamenti, proprio come gli ormoni," ha detto Al Hassanieh.
Recentemente, Al Hassanieh e il suo team, in collaborazione con ricercatori negli Stati Uniti, hanno presentato il loro articolo, "Towards Practical and Scalable Molecular Networks", all'ACM SIGCOMM 2023, una conferenza annuale sulla comunicazione dei dati, in cui hanno delineato il loro MoMA (Molecular Multiple Access) protocollo che abilita una rete molecolare con più trasmettitori.
"La maggior parte delle ricerche esistenti sono puramente teoriche e non funzionano perché le teorie non tengono conto della biologia", ha spiegato Al Hassanieh. "Ad esempio, ogni volta che il cuore pompa c'è un nervosismo e il corpo cambia il suo canale di comunicazione interno. La maggior parte delle teorie esistenti presuppone che il canale su cui si inviano le molecole sia molto stabile e non cambi. In realtà cambia molto velocemente."
Con il MoMA, il team ha introdotto il rilevamento dei pacchetti, la stima dei canali e gli schemi di codifica/decodifica che sfruttano le proprietà uniche delle reti molecolari per affrontare le sfide esistenti. Hanno valutato il protocollo su un banco di prova sperimentale sintetico, emulando vasi sanguigni con tubi e pompe, dimostrando che può scalare fino a quattro trasmettitori, superando significativamente le prestazioni della tecnologia all'avanguardia.
I ricercatori riconoscono che il loro attuale banco di prova sintetico potrebbe non cogliere tutte le sfide associate alla progettazione di protocolli per reti molecolari e che sono necessari test in vivo di microimpianti e microfluidi nei laboratori umidi per ottenere reti molecolari pratiche e dispiegabili. Tuttavia, ritengono di aver mosso i primi passi verso questa visione e che le loro intuizioni per la progettazione di reti molecolari manterranno il loro valore, poiché i modelli di diffusione e fluidodinamica sottostanti nel loro banco di prova sono fondamentali per la comunicazione molecolare
"Sono molto entusiasta di quest'area perché è una nuova forma di comunicazione. Siamo un gruppo di sistemi, ci piace costruire cose e farle funzionare. C'è voluto tempo per sviluppare l'esperienza che abbiamo nella comunicazione biomolecolare, ma ora siamo nella fase dove stiamo trovando collaboratori e possiamo far muovere le cose. La gente pensa che questa sia fantascienza, ma si sta rapidamente trasformando in realtà scientifica", ha concluso Al Hassanieh.
Ulteriori informazioni: Jiaming Wang et al, Towards Practical and Scalable Molecular Networks, Atti della conferenza ACM SIGCOMM 2023 (2023). DOI:10.1145/3603269.3604881
Fornito da Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
