Am Anfang stand das Internet der Dinge (IoT). Heute verspricht das Internet der Bio-Nano-Objekte (IdBNO) an der Schnittstelle zwischen Informatik und Biologie, die Medizin und das Gesundheitswesen zu revolutionieren. Das IdBNO umfasst Biosensoren, die Daten sammeln und verarbeiten, Nanolabore auf Chips, die medizinische Tests im Körper durchführen können, die Verwendung von Bakterien zur Entwicklung biologischer Nanomaschinen, die Krankheitserreger aufspüren können, und Nanoroboter, die im Blutkreislauf schwimmen, um Medikamente zu verabreichen und gezielte Behandlungen durchzuführen.
"Im Allgemeinen handelt es sich um ein äußerst spannendes Forschungsgebiet", erklärte Haitham Al Hassanieh, Assistenzprofessor und Leiter des Labors für Sensor- und Netzwerksysteme an der Fakultät für Informatik und Kommunikation (IC) der EPFL. Er fuhr fort: "Im Zuge der Fortschritte in den Bereichen Bioengineering, synthetische Biologie und Nanotechnologie glauben immer mehr von uns, dass Nanobiosensoren die Medizin revolutionieren werden, weil sie Orte erreichen und Dinge tun können, zu denen die heutigen Apparaturen oder großen Implantate nicht in der Lage sind."
Doch so spannend dieses bahnbrechende Forschungsgebiet auch sein mag, es bleibt eine enorme grundlegende Herausforderung: Wenn man erst einmal einen Nanoroboter im Körper eines Menschen hat, wie soll man dann mit ihm kommunizieren - Herkömmliche Techniken wie drahtlose Radios funktionieren gut bei großen Implantaten wie Herzschrittmachern oder Defibrillatoren, aber es ist unmöglich, sie auf Mikro- oder Nanometerdimensionen herunterzubrechen. Außerdem werden Funksignale nicht durch Körperflüssigkeiten geleitet.
Hier betreten wir das Gebiet der sogenannten "biomolekularen Kommunikation", die vom menschlichen Körper selbst inspiriert ist. Diese Art der Kommunikation nutzt nicht elektromagnetische Wellen, sondern biologische Moleküle sowohl als Träger als auch als Informationsinhalt und ahmt damit die in der Biologie existierenden Kommunikationsmechanismen nach. In ihrer einfachsten Form codiert sie "Einsen" und "Nullen", indem sie Molekülteilchen in den Blutstrom freisetzt oder nicht, ähnlich wie die Alles-oder-Nichts-Signale in drahtlosen Netzwerken.
"Die biomolekulare Kommunikation erschien als das am besten geeignete Paradigma für die Vernetzung von Nanoimplantaten. Es ist eine unglaubliche Vorstellung, dass wir Daten senden können, indem wir sie in Moleküle kodieren, die dann das Kreislaufsystem durchlaufen, und dann mit diesen Molekülen kommunizieren, um sie an den richtigen Ort zu leiten, damit sie dort Behandlungen freisetzen, wie es Hormone tun", sagte Haitham Al Hassanieh.
Gemeinsam mit seinem Team und in Zusammenarbeit mit Forschern aus den USA stellte der Professor auf der ACM SIGCOMM2023 , einer führenden jährlichen Konferenz für Datenkommunikation, ein Papier mit dem Titel Towards Practical and Scalable Molecular Networks vor. Die Forscher beschrieben ihr MoMA-Protokoll (Molecular Multiple Access), mit dem ein molekulares Netzwerk mit mehreren Transmittern realisiert werden kann.
"Die meisten bisherigen Forschungen sind sehr theoretisch und haben keine überzeugenden Ergebnisse geliefert, weil die Theorien die Biologie nicht berücksichtigt haben", erklärte Haitham Al Hassanieh. "So erzeugt jeder Herzschlag ein Zucken, das den Körper dazu veranlasst, seinen internen Kommunikationskanal zu ändern. Die meisten aktuellen Theorien gehen davon aus, dass der Kanal, über den Sie mit den Molekülen kommunizieren, sehr stabil ist und sich nicht verändert. In Wirklichkeit verändert er sich jedoch mit rasender Geschwindigkeit".
Mit dem MoMA-Protokoll führte das Team Systeme zur Paketerkennung, Kanalschätzung und Codierung/Decodierung ein, die sich die einzigartigen Eigenschaften molekularer Netzwerke zunutze machen, um die bestehenden Herausforderungen zu bewältigen. Die Wissenschaftler bewerteten das Protokoll auf einem experimentellen synthetischen Prüfstand - indem sie Blutgefäße mit Schläuchen und Pumpen nachahmten - und zeigten, dass es bis zu vier Transmitter unterstützen kann und dabei eine Leistung bietet, die die modernsten Technologien bei weitem übertrifft.
Sie geben gerne zu, dass ihr synthetischer Prüfstand vielleicht nicht alle Schwierigkeiten bewältigen kann, die mit der Entwicklung von Protokollen für molekulare Netzwerke verbunden sind, und dass In-vivo-Tests mit Mikroimplantaten und Mikrofluiden im Nasslabor notwendig sind, um die Hoffnung zu hegen, dass molekulare Netzwerke in der Praxis realisierbar sind. Sie glauben jedoch, dass sie erste Schritte in diese Richtung unternommen haben und sind zuversichtlich, dass ihre Entdeckungen im Zusammenhang mit dem Design von molekularen Netzwerken Früchte tragen werden, da die zugrunde liegenden Modelle der Diffusion und Fluiddynamik in ihrem Prüfstand ein grundlegendes Element der molekularen Kommunikation darstellen.
"Ich bin sehr begeistert, weil wir es hier mit einer neuen Form der Kommunikation zu tun haben. Wir sind ein Konzern, der sich auf Systeme spezialisiert hat, wir lieben es, Dinge zu bauen und sie zum Funktionieren zu bringen. Es hat einige Zeit gedauert, bis wir unser Fachwissen im Bereich der biomolekularen Kommunikation aufgebaut haben, aber jetzt sind wir an einem Punkt angelangt, an dem wir Kooperationen anstoßen und Dinge in Bewegung setzen. Die Leute halten das für Science-Fiction, aber es wird sehr schnell wissenschaftliche Realität werden", schloss Haitham Al Hassanieh.
