การสื่อสารระดับโมเลกุล: ใช้ชีววิทยาสู่การส่งข้อมูลรุ่นใหม่

ในบทความก่อนหน้าเราพูดถึงประเภทต่างๆ ของการสื่อสารทางแสงที่ใช้ LED สำหรับการส่งข้อมูล ซึ่งรู้จักกันในชื่อ "Light Fidelity" ในบทความนี้เราจะพูดถึงเทคโนโลยีที่กำลังจะมาถึงในสาขาการสื่อสารที่เรียกว่า การสื่อสารระดับโมเลกุล (Molecular Communication)

จนถึงปัจจุบัน วิธีการสื่อสารต่างๆ ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและคลื่นเสียง สายทองแดง ไฟเบอร์ออปติก และชิ้นส่วนอื่นๆ แต่ยังมีอีกหนึ่งวิธีที่หลายคนไม่รู้จัก คือ การสื่อสารที่เกิดขึ้นในระบบชีวภาพ ทุกระบบชีวภาพเป็นเครือข่ายขององค์ประกอบที่สื่อสารกันในทุกระดับ ตั้งแต่โมเลกุล เซลล์ ผืนเนื้อเยื่อ ออร์แกนิซึม กลุ่มประชากร ไมโครบายโอม ระบบนิเวศ และอื่นๆ

ความรู้เกี่ยวกับวิธีการสื่อสารของระบบชีวภาพกลายเป็นพื้นฐานของการประดิษฐ์เทคโนโลยีการสื่อสารใหม่นี้ที่เรียกว่า Molecular Communication

อ่านเพิ่มเติม: 21 เทคโนโลยีใหญ่ของทศวรรษหน้า – ส่วน 1

การสื่อสารระดับโมเลกุลคืออะไร?

Molecular Communication เป็นกลยุทธ์การออกแบบเครือข่ายนาโน (Nano network) ที่ทำงานเพื่อการออกแบบและควบคุมระบบการสื่อสารระดับนาโน สามารถสื่อสารระหว่างนาโนแมชชีน (Nano machines) ได้ในระยะสั้น (สิบไมโครเมตร) โดยใช้ความมีหรือไม่มีของโมเลกุลประเภทที่เลือกมา เพื่อเข้ารหัสข้อความแบบดิจิทัล

การสื่อสารแบบโมเลกุลจะช่วยได้ในการสื่อสารภายในเครือข่ายของอุโมงค์ ท่อส่ง หรือสภาพแวดล้อมใต้น้ำที่คาดเดาไม่ได้ การสื่อสารแม่เหล็กไฟฟ้ามีความท้าทายในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ เนื่องจากข้อจำกัดเช่น อัตราส่วนของขนาดเสาอากาศต่อความยาวคลื่นของสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า

การสื่อสารแบบโมเลกุลทำได้โดยการส่งข้อมูลผ่านโมเลกุลไปยังจุดหมายปลายทาง เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบในกลไกทุกอย่างในระดับเซลล์และใต้เซลล์ที่ใช้การปล่อยโมเลกุลเพื่อการสื่อสารอยู่แล้ว

หลักการทำงานพื้นฐาน

นาโนเน็ตเวิร์ก (Nano network) คือการเชื่อมต่อระหว่างนาโนแมชชีน นาโนแมชชีนคืออุปกรณ์หรือชิ้นส่วนระดับนาโนที่สร้างขึ้นจากชีวภาพหรือสังเคราะห์ สามารถทำงานได้เพียงงานง่ายๆ เช่น การคำนวณ การตรวจจับ หรือการกระทำในสภาพแวดล้อมใกล้เคียง เท่านั้น พวกมันเหมือนบล็อกก่อสร้างที่ร่วมมือกันทำงานซับซ้อนและแบ่งปันข้อมูลท้องถิ่น นาโนแมชชีนแบ่งได้ 2 ประเภท:

1. นาโนแมชชีนเชิงชีวภาพ (Biological Nano machines)
2. นาโนแมชชีนเทียม (Artificial Nanomachines)

การสื่อสารแบบโมเลกุลประกอบด้วย นาโนแมชชีนผู้ส่ง ผู้รับ โมเลกุลพาหะ โมเลกุลข้อมูล และสภาพแวดล้อมที่ทำงาน ผู้ส่งและผู้รับเป็น Bio-Nano machines ที่สร้างจากชีวภาพหรือเทียม มีความสามารถในการปล่อยและจับโมเลกุลข้อมูล ข้อมูลเคลื่อนที่จากผู้ส่งไปผู้รับโดยพาหะ พาหะในระบบนี้คือ มอเตอร์โมเลกุล ฮอร์โมน หรือนิวรอทรานสมิตเตอร์ เนื่องจากทำงานในระบบชีวภาพ ข้อมูลที่ส่งคือ โปรตีน ไอออน หรือ DNA สภาพแวดล้อมคือสารละลายทางน้ำที่พบภายในและระหว่างเซลล์

5 ขั้นตอนในการทำงานของ Molecular Communication:

1. Encoding (เข้ารหัส) – ขั้นตอนที่ผู้ส่ง Bio-Nano machine เข้ารหัสข้อมูลลงในโมเลกุลข้อมูล ที่ผู้รับ Bio-Nano machine สามารถตรวจจับได้
2. Sending (ส่ง) – ขั้นตอนที่ผู้ส่ง bio-Nano machine ปล่อยโมเลกุลข้อมูลเหล่านี้สู่สภาพแวดล้อม โดยการแยกโมเลกุลข้อมูลจากตัวเอง
3. Propagation (การแพร่กระจาย) – วิธีทั่วไปที่มีในเทคโนโลยีการสื่อสารทุกประเภท คือขั้นตอนที่ข้อมูลเคลื่อนที่จากต้นทางไปปลายทาง เหมือนกันสำหรับ Molecular Communication ที่โมเลกุลข้อมูลเคลื่อนที่จากผู้ส่งผ่านสื่อไปยังผู้รับ
4. Receiving (รับ) – ตามชื่อ ขั้นตอนที่ผู้รับ Bio-Nano machine จับโมเลกุลข้อมูลที่แพร่กระจายในสภาพแวดล้อมของ Bio-Nano machines
5. Decoding (ถอดรหัส) – การเข้ารหัสและถอดรหัสเป็นขั้นตอนสำคัญที่สุด ใน Molecular Communication ระหว่างถอดรหัส ผู้รับ Bio-Nano machine จับโมเลกุลข้อมูล และถอดรหัสโมเลกุลที่ได้รับเป็นปฏิกิริยาเคมี

การประยุกต์ใช้

การสื่อสารนี้เป็นแนวคิดใหม่ทั้งหมด และอาจเปิดโอกาสให้มีแอปพลิเคชันใหม่มากมายในไบโอนาโนเทคโนโลยี การใช้งานในอนาคตที่เป็นไปได้:

1. เทคโนโลยีสารสนเทศ (Information Technology) – ช่วยพัฒนาระบบไซลิคอนแบบไฟฟ้าปัจจุบันโดยรวม Bio-Nano machines เข้าไปเพื่อการสื่อสาร ตัวอย่าง: ในอนาคตมือถืออาจมี Bio-Nano machines สำหรับวิเคราะห์สัญญาณชีวเคมีบนชิป จากเลือดและเหงื่อของมนุษย์
2. ระบบส่งยา (Drug Delivery System) – การใช้งานที่มีศักยภาพมากที่สุดอยู่ในสาขาการแพทย์ Molecular communication อาจให้พาหะยาและกลไกส่งยาแบบที่เหมาะกับระบบชีวภาพ Bio-Nano machines ผู้ส่งอาจถูกฝังในร่างกายเพื่อปล่อยยาหรือ DNA
3. ระบบไมโคร-อิเล็กโตรเคมี (Micro-electrochemical Systems) – โดเมนนี้มุ่งพัฒนาระบบขนาดเล็ก เช่น Lab-on-a-chip เทคโนโลยีใหม่ที่รวมการวิเคราะห์และสังเคราะห์ชีวเคมี เช่น การวิเคราะห์เซลล์และวินิจฉัยเลือด บนชิปขนาดเล็ก ให้ฟังก์ชัน เช่น การจัดการโมเลกุลบนชิปเดียว การขนส่งโมเลกุลไปยังตำแหน่งเฉพาะ การผสมผสานโมเลกุล 2 ประเภท และการแยกโมเลกุลประเภทเฉพาะจากสารผสม
4. สิ่งแวดล้อมและการผลิต (Environment and Manufacturing) – แม้ยังไม่มีระบบที่ทดสอบแล้ว แต่นักวิทยาศาสตร์วางแผนใช้เทคโนโลยีนี้ตรวจสอบสิ่งแวดล้อม เช่น ควบคุมขยะ ควบคุมมลพิษ อุ่นโลก และทดลองหาการใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อการสร้างรูปแบบและโครงสร้าง

เทคโนโลยีนี้เป็นพาราดิมใหม่สมบูรณ์ในสาขาการสื่อสาร มีการวิจัยเพื่อหาโอกาสประยุกต์ใช้ในหลายสาขา สาขาแพทย์แน่นอนว่าจะได้รับประโยชน์ เพราะเป็นทั้งชีววิทยาและนาโนเทคโนโลยี เราทราบกันดีว่า นาโนเทคโนโลยีเป็นส่วนสำคัญของอนาคต และ Molecular technology เกี่ยวกับการสื่อสารระหว่างนาโนแมชชีน ผมเชื่อว่ามันจะพัฒนาเร็วขึ้น และเราจะได้เห็นระบบที่ใช้มัน قريبๆ นี้