การสื่อสารระดับโมเลกุล – แรงบันดาลใจจากเครือข่ายการสื่อสารทางชีวภาพ

ในบล็อกที่แล้ว เราได้พูดถึงประเภทต่างๆ ของการสื่อสารด้วยแสงซึ่งใช้ไฟ LED ในการรับส่งข้อมูล ซึ่งเรียกว่า “Light Fidelity” . ในบล็อกนี้ เราจะพูดถึงเทคโนโลยีที่กำลังจะเกิดขึ้นในด้านการสื่อสารที่เรียกว่า Molecular Communication

จนถึงปัจจุบัน วิธีการและวิธีการสื่อสารใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและคลื่นเสียง สายทองแดง ใยแก้วนำแสง และส่วนประกอบอื่นๆ อย่างไรก็ตาม มีอีกวิธีหนึ่งในการสื่อสารที่พวกเราหลายคนไม่รู้ การสื่อสารที่เกิดขึ้นในระบบชีวภาพ ระบบชีวภาพทั้งหมดเป็นเครือข่ายขององค์ประกอบที่สื่อสารกันในทุกระดับของโมเลกุล เซลล์ เนื้อเยื่อ สิ่งมีชีวิต ประชากร ไมโครไบโอม ระบบนิเวศ และอื่นๆ

ความรู้เกี่ยวกับวิธีการสื่อสารของระบบชีวภาพนี้กลายเป็นพื้นฐานสำหรับการประดิษฐ์เทคโนโลยีการสื่อสารใหม่ที่เรียกว่าการสื่อสารระดับโมเลกุล

อ่านด้วย: 21 เทคโนโลยีขนาดใหญ่แห่งทศวรรษหน้า – ตอนที่ 1

การสื่อสารระดับโมเลกุลคืออะไร

การสื่อสารระดับโมเลกุลเป็นกลยุทธ์การออกแบบเครือข่ายระดับนาโน ซึ่งทำงานไปสู่การออกแบบและการควบคุมจริงของระบบการสื่อสารระดับนาโน เป็นกลไกในการสื่อสารระหว่างเครื่องนาโนในระยะทางสั้นๆ (หลายสิบไมโครเมตร) ซึ่งใช้การมีอยู่หรือไม่มีของโมเลกุลที่เลือกเพื่อเข้ารหัสข้อความแบบดิจิทัล

การสื่อสารระดับโมเลกุลจะเป็นประโยชน์ในการสื่อสารภายในเครือข่ายของอุโมงค์ ท่อส่ง หรือสภาพแวดล้อมใต้น้ำที่คาดเดาไม่ได้ การสื่อสารด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสิ่งที่ท้าทายในสภาพแวดล้อมที่กล่าวมาก่อนหน้านี้ เนื่องจากข้อจำกัดต่างๆ เช่น อัตราส่วนของขนาดเสาอากาศต่อความยาวคลื่นของสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า

การสื่อสารระดับโมเลกุลทำได้โดยการส่งข้อมูลผ่านโมเลกุลไปยังปลายทางที่ระบุ เทคโนโลยีนี้มีความเหนือกว่าในกลไกทั้งหมดในระดับเซลล์และเซลล์ย่อยที่ใช้การปล่อยโมเลกุลเพื่อการสื่อสารอยู่แล้ว

หลักการทำงานเบื้องต้น

เครือข่ายนาโนคือการเชื่อมต่อโครงข่ายของเครื่องจักรนาโน เครื่องจักรนาโนคืออุปกรณ์หรือส่วนประกอบขนาดนาโนที่สร้างขึ้นทางชีวภาพหรือประดิษฐ์ขึ้นมาซึ่งสามารถทำงานง่ายๆ ในการคำนวณ การตรวจจับ หรือสั่งงานในสภาพแวดล้อมที่ใกล้ชิดมากเท่านั้น สิ่งเหล่านี้เป็นเหมือนหน่วยการสร้างที่ทำงานร่วมกันเพื่อทำงานที่ซับซ้อนมากขึ้นและแบ่งปันข้อมูลท้องถิ่นที่แตกต่างกัน เครื่องจักรนาโนสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท:

1. เครื่องนาโนชีวภาพ
2. เครื่องจักรนาโนประดิษฐ์

การสื่อสารระดับโมเลกุลประกอบด้วยเครื่องนาโนของผู้ส่ง เครื่องนาโนเครื่องรับ โมเลกุลพาหะ โมเลกุลข้อมูล และสภาพแวดล้อมที่สิ่งเหล่านี้ทำงาน ผู้ส่งและผู้รับถูกสร้างขึ้นทางชีวภาพและประดิษฐ์ขึ้นทางชีวภาพ - เครื่องจักรนาโนที่มีความสามารถในการปล่อยและจับโมเลกุลข้อมูล ข้อมูลข้อมูลถูกย้ายจากผู้ส่งไปยังผู้รับโดยผู้ขนส่ง พาหะในระบบนี้คือมอเตอร์โมเลกุล ฮอร์โมน หรือสารสื่อประสาท เนื่องจากการสื่อสารระดับโมเลกุลทำงานในระบบชีวภาพ ข้อมูลที่ต้องขนส่งคือโปรตีน ไอออน หรือดีเอ็นเอ สภาพแวดล้อมคือสารละลายที่เป็นน้ำซึ่งพบภายในและระหว่างเซลล์

ขั้นตอนทั้ง 5 ในการทำงานของการสื่อสารระดับโมเลกุลมีดังต่อไปนี้:

1. การเข้ารหัส – เป็นระยะที่เครื่อง Bio-Nano ต้นทางหรือผู้ส่งเข้ารหัสข้อมูลเป็นโมเลกุลข้อมูลที่ตรวจพบโดยเครื่อง Bio-Nano ของผู้รับ
2. กำลังส่ง – เป็นระยะที่เครื่องนาโนชีวภาพของผู้ส่งปล่อยโมเลกุลข้อมูลเหล่านี้ออกสู่สิ่งแวดล้อม ทำได้โดยการปลดโมเลกุลข้อมูลจากเครื่องไบโอนาโนของผู้ส่ง
3. การขยายพันธุ์ – การเผยแพร่เป็นวิธีการทั่วไปซึ่งมีอยู่ในเทคโนโลยีการสื่อสารทั้งหมด การแพร่กระจายเป็นระยะที่ข้อมูลย้ายจากต้นทางไปยังปลายทาง สิ่งนี้คล้ายกับการสื่อสารระดับโมเลกุลตรงที่โมเลกุลข้อมูลจะย้ายจากเครื่องส่ง Bio-Nano ผ่านตัวกลางไปยังเครื่อง Bio-Nano ของผู้รับ
4. การรับ – ตามนัยของคำนี้ เป็นช่วงที่เครื่องรับ Bio-Nano จับโมเลกุลข้อมูลที่แพร่กระจายในสภาพแวดล้อมของเครื่อง Bio-Nano
5. การถอดรหัส – การเข้ารหัสและถอดรหัสเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในวิธีการสื่อสาร ในการสื่อสารระดับโมเลกุลระหว่างการถอดรหัส เครื่องรับ Bio-Nano จะจับโมเลกุลข้อมูล ถอดรหัสโมเลกุลที่ได้รับเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมี

แอปพลิเคชัน

การสื่อสารนี้เป็นแนวคิดใหม่อย่างสมบูรณ์ และอาจเปิดใช้งานแอปพลิเคชันใหม่มากมายในนาโนเทคโนโลยีชีวภาพ การใช้งานการสื่อสารระดับโมเลกุลในอนาคตที่เป็นไปได้บางส่วนคือ:

1. เทคโนโลยีสารสนเทศ – เทคโนโลยีการสื่อสารนี้สามารถช่วยพัฒนาระบบไฟฟ้าที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบันได้โดยการรวมเครื่อง Bio-Nano ไว้ในนั้นเพื่อการสื่อสาร ตัวอย่างเช่น – ในอนาคต โทรศัพท์มือถืออาจมีเครื่อง Bio-Nano เหล่านี้สำหรับการวิเคราะห์บนชิปของสัญญาณทางชีวเคมีที่ได้รับจากร่างกายมนุษย์ในรูปของเลือดและเหงื่อ

2. ระบบนำส่งยา – การใช้เทคนิคการสื่อสารดังกล่าวมีแนวโน้มดีที่สุดกำลังถูกพบเห็นในสาขาการแพทย์ การสื่อสารระดับโมเลกุลอาจให้ตัวพายาและกลไกในการส่งยาในลักษณะที่เป็นมิตรกับระบบชีวภาพ เครื่องส่ง Bio-Nano สามารถฝังในร่างกายมนุษย์เพื่อปล่อยยาหรือ DNA ได้

4. ระบบไมโครไฟฟ้าเคมี – โดเมนนี้มุ่งพัฒนาระบบขนาดเล็ก เช่น Lab-on-a-chip Lab-on-a-chip เป็นเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ซึ่งรวมการวิเคราะห์ทางชีวเคมีและการสังเคราะห์ เช่น การวิเคราะห์เซลล์และการวินิจฉัยเลือดบนชิปขนาดเล็ก โดยมีฟังก์ชันต่างๆ เช่น การจัดการโมเลกุลบนชิปตัวเดียว เช่น การขนส่งโมเลกุลไปยังตำแหน่งเฉพาะ การผสมโมเลกุล 2 ประเภทเข้าด้วยกัน และการแยกโมเลกุลประเภทใดประเภทหนึ่งออกจากของผสม
5. สิ่งแวดล้อมและการผลิต – แม้ว่าจะไม่มีการทดสอบระบบสำหรับมัน แต่นักวิทยาศาสตร์กำลังวางแผนที่จะใช้เทคโนโลยีนี้ในการตรวจสอบสภาพแวดล้อมเพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน เช่น การควบคุมของเสีย การควบคุมมลพิษ และภาวะโลกร้อน เป็นต้น พวกเขากำลังทดลองเพื่อหาวิธีการใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเพื่อสร้างรูปแบบและโครงสร้าง

เทคโนโลยีนี้เป็นกระบวนทัศน์ใหม่อย่างสมบูรณ์ในด้านการสื่อสาร กำลังดำเนินการวิจัยเพื่อทราบเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ในเชิงบวกในขอบเขตต่างๆ ทางการแพทย์แน่นอนว่าจะได้รับประโยชน์จากมันเพราะเป็นสารชีวภาพและนาโนทั้งในธรรมชาติ เนื่องจากเราทุกคนทราบดีว่านาโนเทคโนโลยีเป็นส่วนที่แยกออกจากกันไม่ได้ของอนาคต และเทคโนโลยีระดับโมเลกุลก็เกี่ยวกับการสื่อสารระหว่างเครื่องจักรนาโน ฉันรู้สึกว่าจะต้องมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในไม่ช้า และเราจะได้เห็นระบบที่ใช้มันในไม่ช้า