Las máquinas informáticas biológicas, como los micro y nanoimplantes que pueden recopilar información importante dentro del cuerpo humano, están transformando la medicina. Sin embargo, establecer redes entre ellos para comunicarse ha resultado ser un desafío. Ahora, un equipo global, que incluye investigadores de la EPFL, ha desarrollado un protocolo que permite una red molecular con múltiples transmisores.
Primero, existió el Internet de las Cosas (IoT) y ahora, en la interfaz de la informática y la biología, el Internet de las Bio-Nano Cosas (IoBNT) promete revolucionar la medicina y la atención sanitaria. El IoBNT se refiere a biosensores que recopilan y procesan datos, laboratorios en un chip a nanoescala que realizan pruebas médicas dentro del cuerpo, el uso de bacterias para diseñar nanomáquinas biológicas que pueden detectar patógenos y nanorobots que nadan. a través del torrente sanguíneo para realizar la administración y el tratamiento de medicamentos específicos.
"En general, este es un campo de investigación muy, muy apasionante", explicó el profesor asistente Haitham Al Hassanieh, jefe del Laboratorio de sistemas de detección y redes de la Facultad de Ciencias de la Computación y la Comunicación (IC) de la EPFL. "Con los avances en bioingeniería, biología sintética y nanotecnología, la idea es que los nanobiosensores revolucionarán la medicina porque pueden llegar a lugares y hacer cosas que los dispositivos actuales o los implantes más grandes no pueden", continuó.
Sin embargo, no importa cuán apasionante sea este campo de investigación de vanguardia, sigue existiendo un desafío enorme y fundamental:cuando tienes un nanorobot en el cuerpo de alguien, ¿cómo te comunicarás con él? Las técnicas tradicionales, como las radios inalámbricas, funcionan bien para implantes grandes como marcapasos o desfibriladores, pero no se pueden escalar a micro y nanodimensiones, y las señales inalámbricas no penetran a través de los fluidos corporales.
Ingrese a lo que se llama comunicación biomolecular, inspirada en el propio cuerpo. No utiliza ondas electromagnéticas sino moléculas biológicas como portadoras y como información, imitando los mecanismos de comunicación existentes en biología. En su forma más simple, codifica bits "1" y "0" mediante la liberación o no de partículas moleculares en el torrente sanguíneo, similar a la activación y desactivación de las redes inalámbricas.
"La comunicación biomolecular se ha convertido en el paradigma más adecuado para la interconexión de nanoimplantes. Es una idea increíble que podamos enviar datos codificándolos en moléculas que luego pasan por el torrente sanguíneo y podemos comunicarnos con ellos, guiándolos sobre dónde ir y cuándo liberar sus tratamientos, al igual que las hormonas", dijo Al Hassanieh.
Recientemente, Al Hassanieh y su equipo, en colaboración con investigadores de Estados Unidos, presentaron su artículo, "Hacia redes moleculares prácticas y escalables", en ACM SIGCOMM 2023, una conferencia anual sobre comunicación de datos, en el que describieron su MoMA (Molecular Multiple Access) protocolo que permite una red molecular con múltiples transmisores.
"La mayoría de las investigaciones existentes son muy teóricas y no funcionan porque las teorías no han considerado la biología", explicó Al Hassanieh. "Por ejemplo, cada vez que el corazón bombea hay un temblor y el cuerpo cambia su canal de comunicación interna. La mayoría de las teorías existentes asumen que el canal por el que se envían las moléculas es muy estable y no cambia. En realidad, cambia muy rápido".
Con el MoMA, el equipo introdujo esquemas de detección de paquetes, estimación de canales y codificación/decodificación que aprovechan las propiedades únicas de las redes moleculares para abordar los desafíos existentes. Evaluaron el protocolo en un banco de pruebas experimental sintético (vasos sanguíneos emulados con tubos y bombas) y demostraron que puede escalar hasta cuatro transmisores y superar significativamente a la tecnología de última generación.
Los investigadores reconocen que su banco de pruebas sintético actual puede no capturar todos los desafíos asociados con el diseño de protocolos para redes moleculares y que se necesitan pruebas in vivo de microimplantes y microfluidos en laboratorios húmedos para lograr redes moleculares prácticas y desplegables. Sin embargo, creen que han dado los primeros pasos hacia esta visión y que sus ideas para diseñar redes moleculares se mantendrán, ya que los modelos subyacentes de dinámica de fluidos y difusión en su banco de pruebas son fundamentales para la comunicación molecular.
"Estoy muy entusiasmado con esta área porque es una nueva forma de comunicación. Somos un grupo de sistemas, nos gusta construir cosas y hacerlas funcionar. Ha llevado tiempo desarrollar la experiencia que tenemos en comunicación biomolecular, pero ahora estamos en la etapa donde encontramos colaboradores y podemos hacer que las cosas avancen. La gente piensa que esto es ciencia ficción, pero rápidamente se está convirtiendo en un hecho científico", concluyó Al Hassanieh.
Más información: Jiaming Wang et al, Hacia redes moleculares prácticas y escalables, Actas de la conferencia ACM SIGCOMM 2023 (2023). DOI:10.1145/3603269.3604881
Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
