Il y a d'abord eu l'internet des objets (IoT), puis l'internet des corps (IoB), l'internet de tout (IoE) et, enfin, Big Pharma et l'armée se plongent dans votre sang pour construire l'internet des bio-nano-choses (IoBNT). Vous auriez pu espérer l'Internet de rien, mais au lieu de cela, vous obtenez l'Internet de Skynet universel (IoUS). Cet article de mars 2015 est une introduction que tout le monde peut comprendre, y compris vous. L'IoBNT est le dernier élément constitutif du réseau de surveillance, qui relie tous les êtres vivants du domaine biochimique au domaine électrique de l'internet.
Lorsque vous avez reçu un ARNm injectable de Pfizer ou de Moderna, vous n'avez pas été prévenu que des nanotechnologies de ce type étaient injectées dans vos veines. Pas un mot du gouvernement, de Big Pharma ou de l'armée. Aucun consentement éclairé n'a été proposé. La propagande ininterrompue clamait : « Sûr et efficace ».
La technocratie est littéralement en passe de conquérir la race humaine, alors que les humains n'ont pas la moindre idée qu'une guerre est menée contre eux. C'est le thème d'OMNIWAR : A SYMPOSIUM, le 21 septembre. J'y participerai avec Catherine Austin Fitts, David Hughes, Daniel Broudy et Lissa Johnson. C'est gratuit, mais il est préférable de répondre à l'appel pour être prévenu. Il s'agit du premier livestream mondial qui atteindra tous les coins du monde. Vous comprenez pourquoi je demande à le crier sur tous les toits ? - Patrick Wood, rédacteur en chef de Technocracy News & Trends
Par : Akyildiz, Pierobon, et.al. via IEEE Communications Magazine
L'IoBNT représente un concept de changement de paradigme pour l'ingénierie des communications et des réseaux, où de nouveaux défis sont relevés pour développer des techniques efficaces et sûres pour l'échange d'informations, l'interaction et la mise en réseau dans le domaine biochimique tout en permettant une interface avec le domaine électrique de l'internet.
Résumé
L'internet des objets (IdO) est devenu un sujet de recherche important au cours de la dernière décennie, les objets désignant des machines et des objets interconnectés dotés de capacités informatiques intégrées utilisées pour étendre l'internet à de nombreux domaines d'application. Alors que la recherche et le développement se poursuivent pour les dispositifs IoT généraux, il existe de nombreux domaines d'application où des objets minuscules, dissimulables et non intrusifs sont nécessaires.
Les propriétés des nanomatériaux récemment étudiés, tels que le graphène, ont inspiré le concept de l'internet des nano-choses (IoNT), basé sur l'interconnexion de dispositifs à l'échelle nanométrique. Bien qu'elle permette de nombreuses applications, la nature artificielle des dispositifs IoNT peut être préjudiciable, le déploiement des NanoThings pouvant avoir des effets indésirables sur la santé ou la pollution. Le nouveau paradigme de l'Internet des Bio-Nano-Choses (IoBNT) est introduit dans cet article en s'appuyant sur des outils de biologie synthétique et de nanotechnologie qui permettent l'ingénierie de dispositifs informatiques biologiques intégrés.
Basés sur les cellules biologiques et leurs fonctionnalités dans le domaine biochimique, les Bio-Nano-Choses promettent de permettre des applications telles que les réseaux de détection et d'actionnement à l'intérieur du corps, et le contrôle environnemental des agents toxiques et de la pollution. L'IoBNT représente un concept de changement de paradigme pour la communication et l'ingénierie des réseaux, où de nouveaux défis sont relevés pour développer des techniques efficaces et sûres pour l'échange d'informations, l'interaction et la mise en réseau dans le domaine biochimique, tout en permettant une interface avec le domaine électrique de l'Internet.
Introduction
L'internet des objets (IdO) définit un paradigme cyberphysique dans lequel tous les types d'éléments physiques du monde réel (capteurs, actionneurs, appareils électroniques personnels ou appareils ménagers, entre autres) sont connectés et capables d'interagir de manière autonome les uns avec les autres. Cette nouvelle forme de connectivité transparente est le moteur de nombreuses applications telles que la communication entre machines, la surveillance en temps réel des processus industriels, les villes intelligentes, les réseaux intelligents pour la gestion de l'énergie, les transports intelligents, la surveillance de l'environnement, la gestion des infrastructures, les systèmes médicaux et de soins de santé, l'automatisation des bâtiments et de la maison, et les déploiements à grande échelle. L'internet des objets est devenu un axe de recherche et de développement au cours des 15 dernières années. Les agences gouvernementales et l'industrie du monde entier ont investi et continuent d'investir massivement dans l'internet des objets.
Récemment, le concept de l'IdO a été revu à la lumière des nouvelles avancées de la recherche dans le domaine des nanotechnologies et de l'ingénierie des communications, qui permettent le développement de réseaux de dispositifs informatiques intégrés, basés sur des nanomatériaux tels que le graphène ou les métamatériaux, à des échelles allant de un à quelques centaines de nanomètres, appelés nano-choses. L'internet des nano-choses (IoNT), présenté pour la première fois dans [1], est proposé comme base de nombreuses applications futures, notamment dans les domaines militaire, de la santé et de la sécurité, où les nano-choses, grâce à leur taille limitée, peuvent être facilement dissimulées, implantées et dispersées dans l'environnement, où elles peuvent coopérer en matière de détection, d'actionnement, de traitement et de mise en réseau.
Si les nanothings peuvent pousser l'ingénierie des dispositifs et des systèmes vers des environnements et des échelles sans précédent, ils ont, comme les autres dispositifs, une nature artificielle, puisqu'ils sont basés sur des matériaux synthétisés, des circuits électroniques et qu'ils interagissent par le biais de communications électromagnétiques (EM) [1]. Ces caractéristiques peuvent être préjudiciables pour certains environnements d'application, tels que l'intérieur du corps ou les écosystèmes naturels, où le déploiement des nanothings et de leur rayonnement électromagnétique pourrait avoir des effets indésirables sur la santé ou la pollution.
Une nouvelle orientation de la recherche dans l'ingénierie des dispositifs et des systèmes à l'échelle nanométrique est poursuivie dans le domaine de la biologie, en combinant la nanotechnologie avec les outils de la biologie synthétique pour contrôler, réutiliser, modifier et réorganiser les cellules biologiques [2]. En partant d'une analogie entre une cellule biologique et un dispositif informatique embarqué typique de l'IdO, une cellule peut être utilisée efficacement comme substrat pour réaliser ce que l'on appelle une Bio-Nano-Chose, grâce au contrôle, à la réutilisation et à la réingénierie des fonctionnalités des cellules biologiques, telles que la détection, l'actionnement, le traitement et la communication.
Étant donné que les cellules sont basées sur des molécules biologiques et des réactions biochimiques, plutôt que sur l'électronique, le concept d'Internet de la Bio-Nano-Chose (IoBNT), présenté dans cet article, devrait constituer un changement de paradigme pour de nombreuses disciplines connexes, telles que l'ingénierie des communications et des réseaux, qui est l'objet de cet article. L'exécution d'instructions basées sur l'ADN, le traitement biochimique des données, la transformation de l'énergie chimique et l'échange d'informations par la transmission et la réception de molécules, appelé communication moléculaire (CM) [3], sont à la base d'une pléthore d'applications qui seront rendues possibles par l'IoBNT, telles que :
- La détection et l'actionnement intra-corporel, où les Bio-Nano-Choses à l'intérieur du corps humain collecteraient en collaboration des informations relatives à la santé, les transmettraient à un fournisseur de soins de santé externe par l'intermédiaire de l'internet et exécuteraient les commandes du même fournisseur, telles que la synthèse et la libération de médicaments.
- Contrôle de la connectivité à l'intérieur du corps, où les bio-nano-choses réparent ou préviennent les défaillances dans les communications entre nos organes internes, telles que celles basées sur les systèmes endocrinien et nerveux, qui sont à la base de nombreuses maladies.
- Le contrôle et le nettoyage de l'environnement, où les Bio-NanoChoses déployées dans l'environnement, comme un écosystème naturel, vérifieraient la présence d'agents toxiques et polluants, et transformeraient ces agents en collaboration par le biais de la biorestauration, par exemple les bactéries utilisées pour nettoyer les déversements de pétrole.
Cet article est organisé comme suit. Tout d'abord, les bio-nano-choses sont définies à la lumière des outils disponibles aujourd'hui dans le domaine de la biologie synthétique et de la nanotechnologie. Ensuite, l'application de l'ingénierie de la communication à la conception des télécommunications des Bio-Nano-Choses est détaillée, tandis que les défis liés à l'ingénierie des réseaux de Bio-Nano-Choses et des connexions Internet sont discutés. Troisièmement, nous décrivons d'autres défis de recherche pour la réalisation de l'IoBNT. Enfin, nous concluons l'article.
Les Bio-Nano-Choses
Dans le cadre de l'IoBNT, les bio-nano-choses sont définies comme des unités structurelles et fonctionnelles de base identifiables de manière unique qui opèrent et interagissent dans l'environnement biologique. Issus de cellules biologiques et rendus possibles par la biologie synthétique et les nanotechnologies, les bio-nano-choses sont censés accomplir des tâches et des fonctionnalités typiques des dispositifs informatiques intégrés dans l'IdO, telles que la détection, le traitement, l'actionnement et l'interaction entre eux.
LES CELLULES BIOLOGIQUES COMME SUBSTRATS DES BIO-NANOTHINGS
Une cellule biologique est l'unité de base de la vie, constituée d'une membrane qui renferme un mélange de molécules hautement spécialisées, avec une composition chimique et une fonction définies, qui peuvent également être organisées en structures fonctionnelles [4]. Une correspondance entre les composants d'un dispositif informatique intégré IoT typique et les éléments d'une cellule devient évidente si nous comparons la propagation des électrons dans les semi-conducteurs à des réactions biochimiques fonctionnellement similaires, bien que beaucoup plus complexes. Dans ce contexte, comme l'illustre la figure 1, voici quelques exemples.
L'unité de contrôle, qui contient le logiciel intégré de l'appareil, correspondrait aux instructions génétiques densément emballées dans les molécules d'ADN des cellules, qui codent les structures protéiques, les « unités de données » de la cellule et les séquences de régulation, semblables aux expressions conditionnelles du logiciel.
L'unité de mémoire, qui contient les valeurs des données du système intégré, correspondrait au contenu chimique du cytoplasme, c'est-à-dire l'intérieur de la cellule, composé de molécules synthétisées par la cellule en fonction des instructions de l'ADN, et d'autres molécules ou structures, par exemple des vésicules, échangées avec l'environnement extérieur.
L'unité de traitement, qui exécute les instructions logicielles et gère la mémoire et les périphériques, correspondrait à la machinerie moléculaire qui, à partir des molécules d'ADN, par le biais de la transcription et de la traduction, génère des molécules de protéines dont le type et la concentration dépendent des instructions.
L'unité de puissance, qui fournit l'énergie nécessaire au maintien des courants électriques dans les circuits du système embarqué, correspondrait au réservoir dans la cellule de la molécule d'adénosine triphosphate (ATP), qui est synthétisée par la cellule à partir de l'énergie fournie par le milieu extérieur sous diverses formes, et qui fournit l'énergie nécessaire au déroulement des réactions biochimiques de la cellule.
Les émetteurs-récepteurs, qui permettent aux systèmes intégrés d'échanger des informations, correspondraient aux chaînes spécifiques de réactions chimiques, c'est-à-dire aux voies de signalisation, par lesquelles les cellules échangent des molécules porteuses d'informations.
La détection et l'actionnement, qui permettent aux systèmes intégrés d'acquérir des données et d'interagir avec l'environnement, correspondraient à la capacité d'une cellule à reconnaître chimiquement des molécules externes ou des stimuli physiques, par exemple la lumière ou le stress mécanique, et à modifier les caractéristiques chimiques de l'environnement ou à interagir mécaniquement par l'intermédiaire d'éléments mobiles, tels que les flagelles, les pili ou les cils.
TECHNOLOGIES HABILITANTES ET DÉFIS
La discipline de la biologie synthétique fournit des outils pour contrôler, réutiliser, modifier et réorganiser la structure et la fonction des cellules, et elle devrait permettre aux ingénieurs d'utiliser efficacement les cellules biologiques comme substrats programmables pour réaliser des Bio-Nano-Choses en tant que dispositifs informatiques biologiques intégrés [2]. Les technologies de séquençage et de synthèse de l'ADN, qui permettent de lire et d'écrire les informations du code génétique dans les molécules d'ADN des cellules biologiques, offrent aux ingénieurs un accès de plus en plus ouvert à l'ensemble des instructions structurelles et fonctionnelles à la base de la vie.
En particulier, l'ingénierie des circuits biologiques synthétiques [5] par la manipulation du code génétique a permis la programmation de fonctions spécifiquement conçues pour être exécutées par les cellules. Un circuit biologique est un ensemble de gènes qui codent pour des protéines et des séquences régulatrices, qui relient la synthèse des protéines par des mécanismes d'activation et de répression mutuelles. Les fonctions aujourd'hui développées avec succès par des circuits biologiques vont des portes logiques ET et OU à divers types d'oscillateurs réglables, d'interrupteurs à bascule et de compteurs. Le développement de bases de données contenant des éléments de circuits biologiques standard caractérisés avec des fonctions et des comportements connus, par exemple les BioBricks, et d'outils permettant de les combiner pour obtenir des conceptions plus complexes [6], pousse la biologie synthétique vers un développement futur similaire à celui qu'a connu la conception de circuits électriques intégrés dans l'électronique. En conséquence, les ingénieurs seront bientôt en mesure d'accéder pleinement aux fonctionnalités des éléments cellulaires susmentionnés et de réutiliser les cellules et leurs caractéristiques, sans avoir besoin d'une connaissance approfondie de la biotechnologie. L'une des dernières frontières de la biologie synthétique est le développement de cellules artificielles, rendu possible, entre autres, par les outils de la nanotechnologie.
Les cellules artificielles ont des fonctionnalités et des composants structurels minimaux par rapport aux cellules naturelles et sont assemblées de bas en haut en encapsulant les éléments nécessaires dans des membranes d'enveloppe biologiques ou entièrement synthétiques [7]. Les cellules artificielles peuvent donc contenir des informations génétiques, les mécanismes moléculaires associés pour leur transcription, leur traduction et leur réplication, ainsi que toutes les molécules et structures spécialisées nécessaires. Les cellules artificielles devraient permettre une utilisation plus souple et plus contrôlable des circuits biologiques synthétiques en supprimant toute la complexité supplémentaire des cellules naturelles qui n'est pas nécessaire à l'exécution des fonctions conçues.
Bien qu'elle en soit encore à ses débuts, cette technologie a été appliquée avec succès, par exemple pour l'administration de médicaments, la thérapie génique et la production de cellules sanguines artificielles, et l'on s'attend à ce qu'elle fournisse des substrats idéaux pour la biologie synthétique avec un comportement plus prévisible. Bien que très prometteuses, les technologies susmentionnées doivent apporter des solutions aux principaux défis de la recherche en biotechnologie et en ingénierie avant d'être considérées comme des outils fiables pour la réalisation de bio-nano-choses. Du point de vue de la conception technique, l'un des principaux défis consiste à élaborer des modèles mathématiques et physiques fiables, ainsi que des environnements de simulation informatique, capables de saisir les caractéristiques particulières des processus biologiques sous-jacents aux cellules artificielles, tels que les phénomènes non linéaires intrinsèques et les processus dont les résultats sont bruyants. En outre, les cellules artificielles, semblables aux cellules naturelles, se reproduisent et mutent, c'est-à-dire qu'elles ont tendance à modifier de manière aléatoire des parties de leurs programmes génétiques, et évoluent de manière sélective, c'est-à-dire qu'elles ont tendance à conserver les meilleures mutations pour leur survie tout en se reproduisant, ce qui ajoute d'éventuels problèmes mais aussi de nouveaux degrés de liberté pour le concepteur de dispositifs biologiques.
Un autre défi à prendre en compte est lié à la bioéthique et à la sécurité, car les organismes conçus qui évoluent de manière autonome pourraient constituer une menace pour les écosystèmes naturels, voire devenir de nouveaux agents pathogènes. Le développement récent d'interrupteurs « kill » dans les circuits biologiques, capables d'arrêter la reproduction cellulaire ou de déclencher la destruction d'une cellule sur commande externe, ne répond que partiellement à ces problèmes.
Communications Bio-NanoThings
À la base du concept de l'IoBNT, il y a la nécessité pour les Bio-Nano-Choses de communiquer entre elles et d'interagir sur la base des informations échangées. Étant donné que les Bio-Nano-Choses sont issus de l'ingénierie des cellules biologiques, comme indiqué ci-dessus, l'environnement naturel est la principale source d'inspiration pour l'étude des techniques de communication pour l'IoBNT.
LA COMMUNICATION MOLÉCULAIRE DANS LA NATURE
Dans la nature, l'échange d'informations entre les cellules est basé sur la synthèse, la transformation, l'émission, la propagation et la réception de molécules par le biais de processus biochimiques et physiques. Cet échange d'informations, récemment classé dans l'ingénierie des télécommunications sous le nom de communication moléculaire [1], permet aux cellules d'interagir et de coordonner les organismes uni-cellulaires et multi-cellulaires, les populations et les consortiums multi-espèces, et participe à la plupart des grandes fonctions cellulaires telles que la croissance et la prolifération des cellules.
La CM dans les cellules est basée sur les voies de signalisation susmentionnées, qui sont des chaînes de réactions chimiques qui traitent des signaux d'information modulés en caractéristiques chimiques, telles que la concentration, le type et l'état énergétique des molécules, et les propagent d'une source, ou émetteur, à une destination, ou récepteur [4]. Les voies de signalisation cellulaire peuvent être classées en fonction de la distance entre la source et la destination : intracrine (la source et la destination se trouvent dans la même cellule), juxtracrine (la source et la destination sont des cellules en contact l'une avec l'autre), paracrine (la source et la destination se trouvent à proximité l'une de l'autre, mais ne sont pas en contact) ou endocrine (la source et la destination sont éloignées l'une de l'autre).
Un exemple de communication intracrine est donné par le transport intracellulaire de molécules ou de structures de molécules opéré par les moteurs moléculaires du cytosquelette. Les moteurs moléculaires sont des protéines spécialisées intracellulaires capables de convertir les molécules d'ATP susmentionnées en énergie mécanique. Les moteurs moléculaires du cytosquelette sont capables de se lier à une cargaison particulière, telle que des vésicules renfermant des ensembles de molécules ou des organites cellulaires entiers, de s'attacher aux structures microfilamentaires qui composent le squelette de la cellule et de ramper le long de celles-ci pour transporter la cargaison du noyau à la membrane de la cellule et vice-versa.
L'échange de molécules, telles que les ions calcium Ca2+, entre deux cellules reliées par des jonctions communicantes dans leur membrane, est un exemple de communication juxtacrine. Plusieurs exemples dans la nature, comme la signalisation lors d'une contraction cardiaque se produisant entre des cellules musculaires, ou myocytes, montrent comment une petite quantité de molécules peut circuler par diffusion entre des cellules voisines, et être responsable de la synchronisation d'actions coordonnées.
Les bactéries présentent plusieurs moyens de communication dans la nature, comme la communication paracrine qui sous-tend l'émission de molécules de signalisation appelées autoinducteurs par les membres d'une population. Dans ce processus, appelé quorum sensing bactérien, les autoinducteurs se diffusent dans l'espace intercellulaire et, dès leur réception, permettent aux bactéries d'estimer la densité de la population et d'avoir une réponse corrélée, telle que la production de types spécifiques de protéines. Les bactéries peuvent également échanger des molécules d'ADN spécifiques, c'est-à-dire des plasmides, par contact direct, grâce à un processus appelé conjugaison, et transporter les plasmides vers d'autres bactéries éloignées dans l'espace intercellulaire en nageant selon des pistes chimiques, grâce à un processus appelé chimiotaxie.
Dans les organismes multicellulaires, un exemple de communication endocrinienne est réalisé par des molécules de signalisation appelées hormones qui sont émises par les cellules composant les glandes, se propagent dans le système circulatoire et sont reçues par les cellules d'organes distants, où elles provoquent des réponses spécifiques, telles que l'augmentation de la croissance et de la reproduction des cellules.
DÉFIS DE L'INGÉNIERIE DE LA COMMUNICATION MOLÉCULAIRE POUR L'IOBNT
Au sein de l'IoBNT, les Bio-Nano-Choses sont censés interagir les uns avec les autres en échangeant divers types d'informations, par exemple des signaux de synchronisation, des valeurs de paramètres chimiques/physiques détectés, des résultats d'opérations logiques et des ensembles d'instructions et de commandes. L'ingénierie des techniques de communication pour soutenir ces interactions dans l'environnement biologique doit découler des solutions trouvées dans la nature, telles que celles décrites ci-dessus.
L'un des principaux défis consiste à comprendre comment ces solutions naturelles peuvent être contrôlées, modifiées ou repensées pour la transmission d'informations qui peuvent être différentes de celles de la nature. En s'appuyant sur les outils susmentionnés qui sont développés en biologie synthétique et en nanotechnologie, les ingénieurs ont récemment commencé à analyser plusieurs possibilités de réaliser des systèmes MC, soit en reprogrammant génétiquement les comportements des cellules dans le cadre de leurs communications naturelles [8], soit en développant des systèmes de communication artificiels totalement nouveaux en assemblant des composants biologiques naturels [9].
Les exemples de systèmes MC envisagés jusqu'à présent peuvent être classés en fonction de la distance qu'ils sont censés couvrir entre la transmission et la réception. Par exemple, le contrôle des communications juxtracrines par la programmation génétique des cellules biologiques peut permettre l'ingénierie de réseaux où les Bio-Nano-Choses sont en contact les uns avec les autres, par exemple lorsqu'ils sont organisés dans un tissu ou un biofilm [10]. Cette technique de CM, qui fait généralement référence à l'échange de Ca2+ susmentionné, illustré à la figure 2a, couvre des distances proportionnelles à l'épaisseur des membranes cellulaires et peut être considérée comme une CM à très courte portée (des dizaines à des centaines de nm). Les moteurs moléculaires du cytosquelette mentionnés ci-dessus peuvent être pris en compte pour la réalisation de la communication à courte distance (nm-mm) [11], comme le montre la figure 2b, afin de couvrir les communications intracrines des Bio-NanoThings.
Les ingénieurs en communication ont également combiné les modèles des processus de conjugaison et de chimiotaxie bactériens décrits ci-dessus pour étudier théoriquement un système MC artificiel possible, qui peut être considéré, selon les caractéristiques de chimiotaxie connues, comme couvrant la gamme moyenne (mm-mm) [9]. En particulier, l'information est représentée dans des molécules d'ADN, c'est-à-dire des plasmides, qui sont chargés dans des bactéries au niveau de l'émetteur et extraits de ces mêmes bactéries au niveau du récepteur par un processus de conjugaison.
Ces bactéries sont capables de nager par chimiotaxie vers le récepteur, en suivant la libération par le récepteur de molécules spécifiques, c'est-à-dire de chimio-attractants, comme le montre la figure 2c. Un exemple de système MC à longue portée (mm-m) a été envisagé à partir de la communication hormonale au sein du système endocrinien humain [12], comme le montre la figure 2d. Du point de vue de l'ingénierie des télécommunications, l'un des principaux défis consiste à intégrer la CM dans les éléments classiques d'un système de communication technique et à utiliser les outils de la théorie des systèmes et de l'information dans le but final de modéliser et d'analyser les principales caractéristiques et performances des télécommunications, telles que la portée, le délai (latence), la capacité, le débit et le taux d'erreur sur les bits [13].
La connaissance de ces caractéristiques permettra ensuite de comparer et de classer les différentes techniques possibles pour réaliser des MC pour différents scénarios d'application de l'IoBNT, et d'optimiser leur conception et leur réalisation. Des exemples de la cartographie susmentionnée sont présentés à la figure 3, où les principaux processus impliqués dans chaque système MC décrit ci-dessus sont divisés en éléments de communication comme suit. Le codage et le décodage sont liés à la manière dont l'information à transmettre est représentée dans une ou plusieurs caractéristiques des molécules, telles que des ensembles de types et de nombres particuliers de molécules (moteurs moléculaires et communication hormonale), la composition des macromolécules biologiques, telles que les plasmides d'ADN (conjugaison et chimiotaxie des bactéries), ou la concentration des molécules libérées (échange de Ca2+).
La transmission et la réception impliquent les processus chimiques et physiques permettant d'initier la propagation des molécules, par exemple l'encapsulation dans des vésicules pour le transport moléculaire motorisé, la libération de molécules dans un fluide, tel que le flux sanguin, ou à travers une jonction entre deux cellules adjacentes, ou la libération de bactéries en présence de molécules chimio-attractantes dans l'environnement.
Enfin, la propagation concerne la mobilisation des molécules porteuses d'information de l'endroit où se trouve l'émetteur vers le récepteur, par exemple par le biais d'un moteur moléculaire rampant le long des structures microfilamentaires, de la diffusion à travers les jonctions membranaires, de la diffusion et de l'advection dans le flux sanguin et de la chimiotaxie bactérienne vers la source de chimioattractant (récepteur).
Bien qu'une grande partie de la littérature dans le domaine des communications mobiles ait été consacrée à la modélisation et à l'analyse des systèmes susmentionnés à l'aide d'hypothèses simplificatrices, qui augmentent la traçabilité mathématique des phénomènes physiques et chimiques sous-jacents, il reste encore un long chemin à parcourir pour qu'un ingénieur en communication comprenne parfaitement comment concevoir des systèmes mobiles réalistes pour les communications de l'IoBNT.
Les principaux défis sont liés à la conversion de ces modèles simplifiés en scénarios plus réalistes. Par exemple, les modèles de diffusion libre considérés jusqu'à présent dans l'ingénierie MC pour la propagation et la réaction des molécules dans l'environnement intracellulaire, par exemple dans la communication Ca2+, doivent être révisés pour inclure des phénomènes plus réalistes, tels que l'effet des concentrations élevées de macromolécules, par exemple de protéines, appelé encombrement macromoléculaire. Un autre exemple est donné par la propagation endocrinienne, considérée jusqu'à présent pour un petit sous-ensemble de vaisseaux sanguins bien définis, où les modèles devraient prendre en compte non seulement l'ensemble de la physiologie moyenne du système cardiovasculaire humain, mais aussi le fait que les caractéristiques spécifiques de chaque individu peuvent donner lieu à des dynamiques de propagation très différentes.
De même, les modèles de chimiotaxie bactérienne utilisés jusqu'à présent dans l'ingénierie MC ne sont basés que sur le comportement et les propriétés de bactéries uniques et d'environnements in vitro, alors qu'il faudrait prendre en compte des environnements plus réalistes, tels que le corps humain, et le fait que les bactéries peuvent se répliquer et proliférer de manière dynamique et interagir au sein de consortiums multispécifiques. La nature non linéaire de nombreux phénomènes biochimiques et la présence de sources de bruit très différentes, telles que les mutations génétiques, par rapport aux systèmes classiques, constituent d'autres défis pour le développement d'outils analytiques fiables pour l'ingénierie des MC.
LES RÉSEAUX DE BIO-NÉANT ET L'INTERNET
Dans le cadre de l'IoBNT, les bio-nano-choses sont censées non seulement communiquer entre elles, mais aussi interagir dans des réseaux qui, à terme, s'interfaceront avec l'internet. À cette fin, la définition d'architectures et de protocoles de réseau à partir des systèmes MC susmentionnés est une étape essentielle du développement de l'IoBNT. Un autre défi pour l'IoBNT est l'interconnexion de réseaux hétérogènes, c'est-à-dire composés de différents types de Bio-NanoThings et basés sur différents systèmes MC.
Enfin, la réalisation d'interfaces entre le domaine électrique de l'internet et le domaine biochimique des réseaux de l'IoBNT constituera l'ultime frontière pour créer une interconnexion transparente entre le cybermonde d'aujourd'hui et l'environnement biologique. La figure 4 montre un scénario possible dans lequel un IoBNT complet, composé de plusieurs réseaux basés sur différents systèmes MC, est déployé à l'intérieur du corps humain et s'interface par l'intermédiaire d'un appareil électrique personnel connecté à l'internet pour fournir des paramètres d'état intra-corporel (et recevoir des commandes et des instructions) à un prestataire de soins de santé (de la part de celui-ci).
LES DÉFIS À RELEVER POUR RÉALISER DES RÉSEAUX BIO-NÉANTS
Alors que l'ingénierie des réseaux informatiques est un domaine bien établi, où plusieurs solutions différentes ont été fournies pour de nombreuses technologies et scénarios d'application différents, la conception de réseaux dans l'environnement biologique, et basée sur le paradigme MC comme support physique, pose de nouveaux défis à la communauté des réseaux. Par exemple, les informations moléculaires ne suivent généralement pas des directions de propagation prévisibles et définies, comme c'est le cas pour les signaux électromagnétiques dans les communications classiques [13].
La diffusion des molécules, la chimiotaxie bactérienne et les filaments qui soutiennent les moteurs moléculaires ont tendance à couvrir des modèles aléatoires entre la source et la destination. Cette particularité et d'autres, telles que la nature non linéaire de nombreux phénomènes biochimiques, rendent particulièrement difficile l'utilisation de techniques classiques pour réguler l'accès des Bio-NanoThings aux médias partagés, tels que les fluides, l'adressage des Bio-NanoThings et la conception de mécanismes d'acheminement des informations, qui sont des aspects fondamentaux importants des réseaux informatiques.
Comme pour les systèmes MC, une solution possible consistera à modéliser, analyser et réutiliser les mécanismes d'interaction de multiples cellules dans la nature, comme dans les populations de bactéries [14] et les consortiums multi-espèces, ou dans les tissus des organismes pluricellulaires, pour relayer les informations de l'IoBNT.
Dans cette direction, une solution pour l'interconnexion de réseaux hétérogènes de Bio-NanoThing, basée sur différents systèmes MC, pourrait tout aussi bien provenir de la manière naturelle dont notre corps gère et fusionne plusieurs types d'informations pour maintenir un état stable et sain, ou homéostasie [4]. Ces processus intra-corporels permettent des communications hétérogènes à différentes échelles, allant des communications intracrines au sein d'une cellule, aux communications juxtacrines au sein des tissus, en passant par les communications endocrines entre différents organes. Par exemple, les cellules de l'hypophyse effectuent ce type de traduction en libérant des hormones vers les organes du corps afin de contrôler plusieurs processus, tels que la croissance, la pression artérielle, la température et les habitudes de sommeil, à la suite de la réception d'autres hormones provenant des cellules du tissu hypothalamique adjacent.
Les circuits biologiques basés sur ces processus pourraient effectivement fournir un ensemble d'instructions génétiques imitant les passerelles classiques entre les différents sous-réseaux de l'internet. La figure 5a illustre un exemple général de cellule artificielle qui traduit les informations codées dans les molécules émises par des bactéries artificielles en hormones pouvant être sécrétées dans le système circulatoire.
Dans cette conception, des récepteurs intercepteraient les molécules entrantes qui, par une cascade de réactions chimiques, activeraient un circuit biologique qui, à son tour, synthétiserait des protéines capables de déclencher les réactions chimiques nécessaires à la production des hormones.
LES DÉFIS DES INTERFACES BIO-CYBER
Une interface bio-cyber est définie ici comme l'ensemble des processus nécessaires pour traduire l'information du domaine biochimique des réseaux Bio-NanoThing au cyber-domaine de l'internet, qui est basé sur des circuits électriques et des communications électromagnétiques, et vice-versa. L'un des principaux défis pour la réalisation de ces interfaces réside dans l'ingénierie des processus chimiques et physiques capables de lire avec précision les caractéristiques des molécules où l'information est codée, et de les traduire en modulation des paramètres électromagnétiques. Une solution possible dans cette direction pourrait venir des nouveaux capteurs chimiques et biologiques rendus possibles par les nanotechnologies, qui promettent des capacités de détection sans précédent [15].
Ces capteurs sont en général composés de matériaux caractérisés par des propriétés électriques ou électromagnétiques qui peuvent être modifiées par la présence de molécules déterminées ou de complexes de molécules, tels que des récepteurs biologiques liés à des molécules, et moduler en conséquence le courant dans un circuit électrique. Les principaux problèmes liés à l'utilisation de cette technologie de détection pour les applications de l'IoBNT résident dans leur latence actuellement élevée, leur faible sélectivité, l'absence de réponse normalisée et, plus important encore, leur biocompatibilité inconnue, qui sera examinée plus loin. La biocompatibilité, entendue ici comme la propriété d'un système technique de limiter son action sur l'environnement biologique exclusivement à sa fonction prévue, sans altération indésirable des paramètres biologiques, est un autre défi pour le déploiement des interfaces bio-cyber, en particulier pour les applications de l'IoBNT à l'intérieur du corps, comme le montre la figure 4. Compte tenu de la taille limitée des nanocapteurs susmentionnés et des résultats prometteurs des recherches actuelles sur les nanocommunications électromagnétiques (EM), nous envisageons la possibilité de développer des interfaces bio-cyber en encapsulant des nanocapteurs biologiques et des unités de nanocommunication EM dans les cellules artificielles susmentionnées, comme le montre la figure 5b.
Dans cette conception, le nanocapteur biologique serait responsable de l'interface entre les domaines chimiques et électriques, l'unité de nanocommunication EM communiquerait sans fil avec des dispositifs électriques en dehors de l'environnement biologique, et la cellule artificielle assurerait la biocompatibilité. Toutefois, la difficulté réside dans la capacité à produire une puissance suffisante pour que l'émetteur sans fil puisse émettre des ondes électromagnétiques capables de se propager à travers la membrane de la cellule artificielle.
Dans le même temps, des approches sont également nécessaires pour récolter l'énergie nécessaire à l'unité émettrice à l'intérieur de la cellule. Une autre solution consiste à pousser le domaine électrique/électromagnétique à l'interface physique entre l'environnement biologique et le monde extérieur, comme la peau pour les applications IoBNT intra-corporelles. Dans cette direction, les tatouages électroniques, semblables à ceux basés sur la technologie d'identification par radiofréquence (RFID), qui permettent aux utilisateurs d'authentifier des dispositifs à proximité, pourraient incorporer une interface bio-cyber capable de détecter des informations biochimiques provenant des cellules de l'épiderme, des glandes sudoripares ou des terminaisons nerveuses, et de les communiquer sans fil aux dispositifs électroniques externes situés à proximité.
AUTRES DÉFIS
Nous allons maintenant évoquer brièvement quelques autres défis à relever pour le développement de l'IoBNT. Les technologies habilitantes de l'IoBNT dont il est question dans cet article pourraient poser de graves problèmes de sécurité si elles étaient manipulées avec des intentions malveillantes. Un nouveau type de terrorisme, que nous appelons terrorisme bio-cyber, pourrait effectivement tirer parti des nombreuses possibilités offertes par l'IoBNT pour contrôler l'environnement biologique et interagir avec lui.
Par exemple, les Bio-NanoThings pourraient être utilisés pour accéder au corps humain et voler des informations personnelles relatives à la santé, voire créer de nouvelles maladies. En outre, de nouveaux types de virus pourraient être créés pour pirater des IoBNT déjà déployés.
La recherche dans le domaine de l'IoBNT devrait nécessairement aborder ces problèmes en combinant les méthodes d'assurance de la sécurité appliquées aux réseaux informatiques d'aujourd'hui avec des solutions de sécurité développées par l'évolution de la nature, comme le système immunitaire humain. La mise en œuvre de techniques de localisation et de suivi au sein de l'IoBNT, de la même manière que dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN), pourrait permettre d'importantes applications liées, par exemple, à la surveillance de la localisation de maladies dans le corps ou à l'identification de la localisation et de la distribution d'agents toxiques dans un environnement.
Une solution pourrait venir de l'ingénierie de la chimiotaxie dans les Bio-Nano-Choses, basée sur la capacité susmentionnée des bactéries à localiser et à suivre les sources de types particuliers de molécules, qui pourraient être, par exemple, des biomarqueurs libérés par des cellules cancéreuses ou infectées. Conformément à la vision du « tout connecté », l'objectif ultime est d'interconnecter les paradigmes de l'IoBNT et de l'IoNT à l'IdO.
L'un des défis posés par l'intégration de dispositifs à l'échelle nanométrique est la grande quantité d'informations qui en résultera, ce qui portera les défis de la gestion des « Big Data » à un niveau supérieur. Outre l'augmentation de la quantité de données, de nouveaux services devront être conçus pour établir une correspondance sémantique entre les différents types de données que l'IoBNT et l'IoNT transmettront à l'IdO. De nouvelles solutions de découverte de services seront également nécessaires pour effectuer des recherches en profondeur dans les environnements biologiques et interagir avec des entités biologiques artificielles afin d'agir ou de collecter des informations.
Par exemple, les Bio-NanoThings pourraient être utilisés pour accéder au corps humain et voler des informations personnelles liées à la santé, voire créer de nouvelles maladies. En outre, de nouveaux types de virus pourraient être créés pour pirater des IoBNT déjà déployés.
La recherche dans le domaine de l'IoBNT devrait nécessairement aborder ces problèmes en combinant les méthodes d'assurance de la sécurité appliquées aux réseaux informatiques d'aujourd'hui avec des solutions de sécurité développées par l'évolution de la nature, comme le système immunitaire humain. La mise en œuvre de techniques de localisation et de suivi au sein de l'IoBNT, de la même manière que dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN), pourrait permettre d'importantes applications liées, par exemple, à la surveillance de la localisation de maladies dans le corps ou à l'identification de la localisation et de la distribution d'agents toxiques dans un environnement.
Une solution pourrait venir de l'ingénierie de la chimiotaxie dans les Bio-Nano-Choses, basée sur la capacité susmentionnée des bactéries à localiser et à suivre les sources de types particuliers de molécules, qui pourraient être, par exemple, des biomarqueurs libérés par des cellules cancéreuses ou infectées. Conformément à la vision du « tout connecté », l'objectif ultime est d'interconnecter les paradigmes de l'IoBNT et de l'IoNT à l'IdO.
L'un des défis posés par l'intégration de dispositifs à l'échelle nanométrique est la grande quantité d'informations qui en résultera, ce qui portera les défis de la gestion des « Big Data » à un niveau supérieur. Outre l'augmentation de la quantité de données, de nouveaux services devront être conçus pour établir une correspondance sémantique entre les différents types de données que l'IoBNT et l'IoNT transmettront à l'IdO. De nouvelles solutions de découverte de services seront également nécessaires pour effectuer des recherches en profondeur dans les environnements biologiques et interagir avec des entités biologiques artificielles afin d'agir ou de collecter des informations.
Conclusion
Alors que l'internet des objets (IdO) permet une connectivité omniprésente des éléments physiques du monde réel entre eux et avec l'internet, l'internet des nano-choses propose de repousser les limites de ce concept jusqu'aux dispositifs nanométriques basés sur la nanotechnologie, qui peuvent être facilement dissimulés, implantés et disséminés dans l'environnement. Dans cet article, nous avons présenté un autre concept, celui de l'internet des bio-nano-choses, dans lequel la biologie synthétique et la nanotechnologie sont combinées pour développer des objets basés sur le contrôle, la réutilisation, la modification et la réingénierie des cellules biologiques.
Cet article décrit les défis à relever pour réaliser ces objets et, plus important encore, pour permettre leur communication et leur mise en réseau, avec des techniques qui changent le paradigme dans les domaines de la communication et de l'ingénierie des réseaux. Nous pensons que le domaine de recherche de l'IoBNT, bien qu'il en soit encore à ses débuts, débouchera sur une technologie qui changera la donne pour la société de demain.
RÉFÉRENCES
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[15] C. R. Yonzon et al, « Towards Advanced Chemical and Biological Nanosensors - An Overview », Talanta, vol. 67, no. 3, Sept. 2005, pp. 438-48.
BIOGRAPHIES
I. F. AKYILDIZ est titulaire de la chaire Ken Byers en télécommunications à l'école d'ingénierie électrique et informatique du Georgia Institute of Technology, à Atlanta, directeur du Broadband Wireless Networking (BWN) Laboratory et président du Telecommunication Group au Georgia Tech. Depuis 2013, il est professeur FiDiPro (Finland Distinguished Professor Program (FiDiPro) soutenu par l'Académie de Finlande) au département d'ingénierie électronique et des communications de l'Université de technologie de Tampere, en Finlande. Il est membre de l'IEEE (1996) et de l'ACM (1997). Il a reçu de nombreux prix de l'IEEE et de l'ACM. Ses recherches actuelles portent sur les nanoréseaux, les réseaux de communication en bande TeraHertz, les systèmes cellulaires 5G et les réseaux de capteurs sans fil.
M. PIEROBON a obtenu son doctorat en génie électrique et informatique au Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, en 2013, et sa maîtrise en génie des télécommunications au Politecnico di Milano, Milan, Italie, en 2005. Il est actuellement professeur adjoint au département d'informatique et d'ingénierie de l'université du Nebraska-Lincoln. Il est rédacteur en chef des IEEE Transactions on Communications. Il est membre de l'IEEE, de l'ACM et de l'ACS. Ses recherches actuelles portent sur la théorie de la communication moléculaire pour les nanoréseaux, l'ingénierie de la communication appliquée aux systèmes intelligents d'administration de médicaments et l'ingénierie des télécommunications appliquée aux communications de cellule à cellule.
S. BALASUBRAMANIAM a obtenu sa licence (ingénierie électrique et électronique) et son doctorat à l'université du Queensland en 1998 et 2005, respectivement, et sa maîtrise (ingénierie informatique et des communications) en 1999 à l'université de technologie du Queensland. Il est actuellement chercheur principal au Nano Communication Centre, Department of Electronic and Communication Engineering, Tampere University of Technology (TUT), Finlande. Il a été le co-président du TPC pour ACM NANOCOM 2014 et IEEE MoNaCom 2011. Il est actuellement rédacteur pour IEEE Internet of Things et Elsevier's Nano Communication Networks. Ses recherches actuelles portent sur les réseaux de communication bio-inspirés et la communication moléculaire.
Y. KOUCHERYAVY (
Source : Activistpost.com
