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El desarrollo de máquinas informáticas biológicas, como micro y nanoimplantes, que recopilan datos importantes en el cuerpo humano, está cambiando la medicina.
![Vasos sanguíneos, sistema arterial renderizado 3D](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_40536_17007542961349467.jpg)
Crédito de la foto: ustas7777777/Shutterstock.com
Sin embargo, la construcción de sus redes de comunicaciones presentó desafíos importantes. Recientemente, un equipo multinacional que incluye investigadores de EPFLdesarrolló un protocolo que permite una red molecular con múltiples transmisores.
Al principio existía el Internet de las cosas (IoT), y ahora está surgiendo el Internet de las Bio-Nano-Cosas (IoBNT) en la intersección de la informática y la biología, que transformará la medicina y la atención sanitaria.
IoBNT incluye biosensores que recopilan y analizan datos, laboratorios en un chip a nanoescala que realizan pruebas médicas en el cuerpo, el uso de bacterias para desarrollar nanomáquinas biológicas para detectar patógenos y nanorobots que controlan el torrente sanguíneo para la administración y el control precisos de medicamentos. tratamiento. Esta convergencia tiene un enorme potencial para avanzar en la prestación de atención médica y revolucionar las prácticas médicas.
En general, esta es un área de investigación muy, muy interesante. Dados los avances en bioingeniería, biología sintética y nanotecnología, la idea es que los nanobiosensores revolucionarán la medicina porque pueden ir a lugares y hacer cosas que los dispositivos actuales o los implantes más grandes no pueden..
Haitham Al Hassanieh, profesor asistente y director del laboratorio de sistemas de redes y sensores, Facultad de Ciencias de la Computación y la Comunicación, EPFL
A pesar del entusiasmo que rodea a esta área de investigación de vanguardia, aún quedan obstáculos importantes: establecer comunicación con un nanorobot dentro de un cuerpo humano. Los métodos tradicionales, como las radios inalámbricas, son eficaces para implantes grandes, como marcapasos o desfibriladores, pero no pueden ampliarse a escalas micro y nano. Además, las señales inalámbricas no pueden penetrar los fluidos corporales.
La solución a este desafío es la comunicación biomolecular, inspirada en los mecanismos de comunicación del cuerpo. A diferencia de los métodos convencionales que utilizan ondas electromagnéticas, la comunicación biomolecular utiliza moléculas biológicas como portadores e información, imitando así los procesos de comunicación naturales en biología.
En su forma básica, la comunicación biomolecular codifica bits «1» y «0» liberando o reteniendo partículas moleculares en el torrente sanguíneo, lo cual es similar a la función del botón ON-OFF en 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 viajan a través del torrente sanguíneo, y podemos comunicarnos con ellos y decirles adónde ir y cuándo detener sus tratamientos, tal como sucede con las hormonas..
Haitham Al Hassanieh, profesor asistente y director del laboratorio de sistemas de redes y sensores, Facultad de Ciencias de la Computación y la Comunicación, EPFL
Recientemente, Al Hassanieh y su equipo, junto con científicos de los Estados Unidos, presentaron su trabajo sobre redes moleculares prácticas y escalables en ACM SIGCOMM 2023, una conferencia anual líder en comunicaciones de datos, donde presentaron su protocolo Molecular Multiple Access (MoMA) que hace posible una red molecular con múltiples transmisores.
La mayoría de las investigaciones existentes son muy teóricas y no funcionan porque las teorías no han tenido en cuenta la biología. Por ejemplo, cada vez que late el corazón se produce nerviosismo 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, está cambiando muy rápidamente..
Haitham Al Hassanieh, profesor asistente y director del laboratorio de sistemas de redes y sensores, Facultad de Ciencias de la Computación y la Comunicación, EPFL
En el área de las comunicaciones biomoleculares, el equipo del MoMA introdujo esquemas de detección de paquetes, estimación de canales y codificación/decodificación que explotan las propiedades únicas de las redes moleculares para superar los desafíos existentes.
El equipo probó el protocolo en un banco de pruebas sintético que simulaba vasos sanguíneos con tubos y bombas, demostrando su escalabilidad con hasta cuatro transmisores y su rendimiento superior en comparación con la tecnología de última generación.
Los investigadores reconocen que es posible que su banco de pruebas sintético actual no aborde todos los desafíos asociados con el desarrollo de protocolos de redes moleculares. Destacan la necesidad de realizar pruebas in vivo de microimplantes y microfluidos en laboratorios húmedos para crear redes moleculares prácticas y desplegables.
Sin embargo, sostienen que han dado los primeros pasos hacia esta visión y creen que sus hallazgos seguirán siendo aplicables al diseño de redes moleculares porque los modelos subyacentes de difusión y dinámica de fluidos en su banco de pruebas son fundamentales para la comunicación molecular.
Al Hassanieh concluye: “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 algún tiempo desarrollar nuestra experiencia en comunicaciones biomoleculares, pero ahora estamos en la etapa en la que podemos encontrar colaboradores y poner las cosas en marcha. La gente piensa que esto es ciencia ficción, pero rápidamente se está convirtiendo en un hecho científico..”
Referencia de la revista:
Wang, J., et al. (2023). Hacia redes moleculares prácticas y escalables. Biblioteca Digital ACM. doi/abs/10.1145/3603269.3604881.
Fuente: https://www.epfl.ch/de/
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