Máquinas de computação biológica, como micro e nano-implantes que podem coletar informações importantes dentro do corpo humano, estão transformando a medicina. No entanto, colocá-los em rede para comunicação tem se mostrado um desafio. Agora, uma equipe global, incluindo pesquisadores da EPFL, desenvolveu um protocolo que permite uma rede molecular com múltiplos transmissores.



Primeiro, houve a Internet das Coisas (IoT) e agora, na interface da ciência da computação e da biologia, a Internet das Bio-Nano Coisas (IoBNT) promete revolucionar a medicina e os cuidados de saúde. O IoBNT refere-se a biossensores que coletam e processam dados, Labs-on-a-Chip em nanoescala que executam testes médicos dentro do corpo, o uso de bactérias para projetar nanomáquinas biológicas que podem detectar patógenos e nanorobôs que nadam através da corrente sanguínea para realizar a administração e o tratamento direcionados de medicamentos.

"No geral, este é um campo de pesquisa muito, muito interessante", explicou o professor assistente Haitham Al Hassanieh, chefe do Laboratório de Sistemas de Sensores e Redes da Escola de Ciências da Computação e Comunicação (IC) da EPFL. “Com os avanços na bioengenharia, biologia sintética e nanotecnologia, a ideia é que os nanobiossensores revolucionarão a medicina porque podem chegar a lugares e fazer coisas que os dispositivos atuais ou implantes maiores não conseguem”, continuou ele.

No entanto, por mais entusiasmante que seja este campo de investigação de ponta, continua a existir um desafio enorme e fundamental:quando se tem um nano-robô no corpo de alguém, como se comunicará com ele? As técnicas tradicionais, como os rádios sem fio, funcionam bem para implantes grandes, como marca-passos ou desfibriladores, mas não podem ser dimensionadas para dimensões micro e nano, e os sinais sem fio não penetram nos fluidos corporais.

Entra no que está sendo chamado de comunicação biomolecular, inspirada no próprio corpo. Não utiliza ondas eletromagnéticas, mas moléculas biológicas como transportadores e como informação, imitando os mecanismos de comunicação existentes na biologia. Em sua forma mais simples, ele codifica os bits "1" e "0", liberando ou não partículas moleculares na corrente sanguínea - semelhante ao ON-OFF-Keying em redes sem fio.

"A comunicação biomolecular emergiu como o paradigma mais adequado para conectar nano-implantes em rede. É uma ideia incrível podermos enviar dados codificando-os em moléculas que então passam pela corrente sanguínea e podemos nos comunicar com eles, orientando-os sobre onde ir e quando liberar seus tratamentos, assim como os hormônios", disse Al Hassanieh.

Recentemente, Al Hassanieh e sua equipe, em colaboração com pesquisadores nos Estados Unidos, apresentaram seu artigo, "Towards Practical and Scalable Molecular Networks", na ACM SIGCOMM 2023, uma conferência anual sobre comunicação de dados, na qual delinearam seu MoMA (Molecular Multiple Access) protocolo que permite uma rede molecular com múltiplos transmissores.

“A maior parte da investigação existente é muito teórica e não funciona porque as teorias não consideram a biologia”, explicou Al Hassanieh. "Por exemplo, toda vez que o coração bate, há um tremor e o corpo muda seu canal de comunicação interno. A maior parte das teorias existentes assume que o canal pelo qual você envia as moléculas é muito estável e não muda. Na verdade, muda muito rápido."

Com o MoMA, a equipe introduziu detecção de pacotes, estimativa de canal e esquemas de codificação/decodificação que aproveitam as propriedades exclusivas das redes moleculares para enfrentar os desafios existentes. Eles avaliaram o protocolo em um banco de testes experimental sintético – vasos sanguíneos emulados com tubos e bombas – demonstrando que ele pode escalar até quatro transmissores e, ao mesmo tempo, superar significativamente a tecnologia de ponta.

Os pesquisadores reconhecem que seu atual ambiente de testes sintéticos pode não capturar todos os desafios associados ao projeto de protocolos para redes moleculares e que são necessários testes in vivo de microimplantes e microfluidos em laboratórios úmidos para alcançar redes moleculares práticas e implantáveis. No entanto, eles acreditam que deram os primeiros passos em direcção a esta visão e que os seus conhecimentos para a concepção de redes moleculares serão válidos, uma vez que os modelos subjacentes de difusão e dinâmica de fluidos no seu banco de testes são fundamentais para a comunicação molecular.

"Estou muito entusiasmado com esta área porque é uma nova forma de comunicação. Somos um grupo de sistemas, gostamos de construir coisas e fazê-las funcionar. Demorou algum tempo para desenvolver a experiência que temos em comunicação biomolecular, mas agora estamos na fase onde encontramos colaboradores e podemos fazer as coisas andarem. As pessoas pensam que isto é ficção científica, mas está a evoluir rapidamente para facto científico", concluiu Al Hassanieh.

Mais informações: Jiaming Wang et al, Rumo a Redes Moleculares Práticas e Escaláveis, Proceedings of the ACM SIGCOMM 2023 Conference (2023). DOI:10.1145/3603269.3604881
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