論文『バイオナノモノのインターネット』IEEE出版 2015年

The internet of Bio-Nano things

https://ieeexplore.ieee.org/document/7060516

IoBNTは、コミュニケーションとネットワークエンジニアリングのパラダイムを転換する概念であり、生化学領域における情報交換、相互作用、ネットワーク化のための効率的かつ安全な技術の開発という新たな課題に直面している。一方で、インターネットの電気領域へのインターフェースも可能にする。

I. F. Akyildiz、M. Pierobon、S. Balasubramaniam、Y. Koucheryavy

AI要約

要約

モノのインターネット(IoT)は、ここ10年で重要な研究テーマとなっている。モノとは、インターネットを多くのアプリケーション領域に拡張するために採用された、コンピューティング能力を内蔵した相互接続された機械や物体を指す。一般的なIoTデバイスの研究開発が継続される一方で、非常に小型で目立たず、邪魔にならないモノが必要とされる応用分野も数多く存在する。最近研究されているナノ材料、例えばグラフェンの特性は、ナノスケール・デバイスの相互接続に基づくInternet of NanoThings(IoNT)の概念にインスピレーションを与えている。多くのアプリケーションを実現する一方で、IoNT デバイスの人工的な性質は、ナノテクノロジーの展開が健康への悪影響や汚染につながる可能性がある場合には有害となる可能性がある。本稿では、合成生物学とナノテクノロジーのツールから派生した、バイオナノモノのインターネット(IoBNT)という新たなパラダイムを紹介する。生物学的細胞と生化学領域におけるその機能性に基づき、バイオ・ナノモノは体内センシングやアクチュエーション・ネットワーク、有害物質や汚染物質の環境制御などのアプリケーションを実現する可能性を秘めている。IoBNTは、通信とネットワーク工学のパラダイムを転換するコンセプトであり、生化学領域における情報交換、相互作用、ネットワーク化のための効率的かつ安全な技術の開発という新たな課題に直面している。一方で、インターネットの電気領域へのインターフェースも可能にする。

はじめに

モノのインターネット(IoT)は、サイバーフィジカルパラダイムを定義するものであり、現実世界のあらゆる物理的要素(センサー、アクチュエーター、パーソナル電子機器、家庭用電化製品など)が接続され、相互に自律的に通信することが可能となる。この新しいシームレスな接続形態は、マシン・ツー・マシン通信、産業プロセスのリアルタイム監視、スマートシティ、エネルギー管理のためのスマートグリッド、インテリジェント交通、環境モニタリング、インフラ管理、医療およびヘルスケアシステム、ビルおよびホームオートメーション、大規模展開など、多くのアプリケーションを実現するものである。モノのインターネットは、過去15年間にわたって研究および開発の焦点となってきた。モノのインターネット化への投資は、世界中の政府機関や産業界によって、過去にも現在にも数多く行われている。

最近では、IoTの概念は、ナノテクノロジーや通信工学の分野における新たな研究の進歩を踏まえて見直されている。これは、グラフェンやメタマテリアルなどのナノ材料をベースとした、1ナノメートルから数百ナノメートルの範囲のスケールを持つ、組み込みコンピューティングデバイスのネットワーク開発を可能にするものである。ナノモノはサイズが限られているため、環境中に容易に隠蔽、埋め込み、散布することができ、協調してセンシング、アクチュエーション、処理、ネットワーク化を行うことができる。ナノモノは、軍事、ヘルスケア、セキュリティ分野など、数多くの将来のアプリケーションの基盤として提案されている。

ナノモノは、デバイスやシステムの工学を前例のない環境や規模へと押し進めることができるが、他のデバイスと同様に、合成材料や電子回路を基盤とし、電磁(EM)通信を介して相互作用するため、人工的な性質を持つ[1]。これらの特性は、体内や自然生態系など、ナノモノの展開や電磁放射が健康への望ましくない影響や汚染につながる可能性がある一部のアプリケーション環境にとっては有害となり得る。

ナノスケールデバイスおよびシステムの工学における新たな研究分野は、生物学的分野で進められており、ナノテクノロジーと合成生物学のツールを組み合わせ、生物学的細胞の制御、再利用、修正、再設計を行っている[2]。生物学的細胞と典型的なIoT組み込みコンピューティング・デバイスとの類似性に着目すると、細胞は、センシング、アクチュエーション、処理、通信などの生物学的細胞の機能性を制御、再利用、再設計することで、いわゆるバイオ・ナノモノを実現するための基板として効果的に利用できる。細胞は電子工学ではなく、生体分子と生化学反応に基づいているため、本稿で紹介するバイオ・ナノモノ(IoBNT)の概念は、通信やネットワーク工学など、本稿の焦点となる多くの関連分野にパラダイムシフトをもたらすことが期待される。DNAベースの命令の実行、生化学的なデータ処理、化学エネルギーの変換、分子の送受信による情報交換(分子通信(MC)と呼ばれる)は、IoBNTによって可能になる数多くのアプリケーションの基礎となる。

• 体内センシングと作動:体内のバイオ・ナノモノが協力して健康関連情報を収集し、インターネットを通じて外部のヘルスケアプロバイダーに送信し、同プロバイダーからの指令(薬物の合成や放出など)を実行する。
• 体内接続制御:バイオ・ナノモノが、内分泌系や神経系に基づくような、多くの病気の原因となる内臓間の通信の不具合を修復または防止する。
• 環境制御と浄化:バイオナノモノを自然生態系などの環境に配置し、有害物質や汚染物質を監視し、バイオレメディエーション(生物修復)により、それらの物質を共同で変換する。例えば、油流出の浄化にバクテリアを使用する。

本稿の構成は以下の通りである。まず、合成生物学とナノテクノロジーから現在利用可能なツールを踏まえて、バイオナノ物質を定義する。次に、バイオナノ物質の通信設計への通信工学の応用について詳しく説明し、バイオナノ物質のネットワークとインターネット接続の設計上の課題について議論する。最後に、IoBNTの実現に向けたさらなる研究課題について述べる。最後に、本記事の結論を述べる。

バイオ・ナノモノ

IoBNT の範囲内において、バイオ・ナノモノは、生物学的環境内で動作し相互作用する、独自に識別可能な基本的な構造および機能単位として定義される。生物学的細胞に由来し、合成生物学とナノテクノロジーによって実現されるバイオ・ナノモノは、センシング、処理、作動、相互の相互作用など、IoT における組み込みコンピューティング・デバイスに典型的なタスクや機能性を実行することが期待されている。

バイオ・ナノモノの基質としての生物学的細胞

生物学的細胞は生命の基本単位であり、高度に特化した分子の混合物を包み込む膜から構成され、明確な化学組成と機能を持つ。また、機能構造に組織化されることもある[4]。半導体における電子の伝播と、機能的には類似しているがはるかに複雑な生化学反応とを比較すると、典型的なIoT組み込みコンピューティングデバイスと細胞の構成要素との間の対応関係が明らかになる。この文脈において、図1に示されているように、いくつかの例を以下に挙げる。また、組み込みシステムデータの値を格納する記憶装置は、細胞質(すなわち細胞の内部)の化学的構成に相当し、DNAの指示に従って細胞が合成した分子や、小胞体などの他の分子や構造体で構成される。ソフトウェアの指示を実行し、メモリや周辺機器を管理する処理ユニットは、DNA分子から、いわゆる転写と翻訳を経て、指示依存型および濃度のタンパク質分子を生成する分子機械に相当する。組み込みシステムの回路に電流を維持するためのエネルギーを供給する動力装置は、細胞内のアデノシン三リン酸(ATP)分子の貯蔵庫に相当する。ATP分子は、外部環境から供給されるエネルギーをさまざまな形態で細胞が合成し、細胞の生化学反応に必要なエネルギーを提供する。組み込みシステムが情報を交換することを可能にするトランシーバーは、細胞が情報伝達分子を交換する特定の化学反応の連鎖、すなわちシグナル伝達経路に相当する。組み込みシステムがデータを取得し、環境と相互作用することを可能にするセンシングとアクチュエーションは、細胞が外部分子や物理的刺激(光や機械的ストレスなど)を化学的に認識し、環境の化学的特性を変化させたり、鞭毛、繊毛、またはciliaなどの可動要素を介して機械的に相互作用する能力に対応する。

実現技術と課題

合成生物学の分野では、細胞の構造と機能を制御、再利用、修正、再設計するためのツールが提供されており、生物学的組み込みコンピューティングデバイスとしてのバイオ・ナノモノを実現するために、エンジニアが生物学的細胞をプログラミング可能な基板として効果的に利用できるようになることが期待されている[2]。DNA分子の遺伝子コード情報の読み取りと書き込みを可能にするDNA配列決定および合成技術により、生命の基礎となる構造および機能に関する一連の指示へのアクセスがエンジニアにますますオープンになっている。特に、遺伝子コードの操作による合成生物回路の設計[5]により、細胞によって実行されるよう特別に設計された機能のプログラミングが可能になった。生物回路は、タンパク質と調節配列をコードする遺伝子のセットであり、相互活性化と抑制のメカニズムによってタンパク質合成を結びつける。現在、生物回路によって開発に成功している機能は、ANDやORの論理ゲートから、さまざまなタイプの調整可能な発振器、トグルスイッチ、カウンターまで多岐にわたる。機能や挙動が既知の標準的な生物学的回路部品の特徴を特定したデータベース(バイオブリックなど)や、それらをより複雑な設計に組み合わせるツールの開発[6]により、合成生物学は電子工学における集積回路設計の歩みをたどるような未来の開発へと突き進んでいる。その結果、エンジニアはバイオテクノロジーに関する深い知識を必要とせずに、前述の細胞要素の機能に完全にアクセスし、細胞とその特徴を再利用できるようになるだろう。

合成生物学における最新の研究分野のひとつに、ナノテクノロジーのツールを活用した人工細胞の開発がある。 人工細胞は、天然の細胞と比較すると機能と構造の要素が最小限であり、必要な要素を生物学的または完全に合成された包埋膜に封入することでボトムアップ方式で組み立てられる。 したがって、人工細胞には遺伝情報、転写、翻訳、複製に関連する分子機械、および必要なすべての特殊分子と構造が含まれる。人工細胞は、設計された機能を実行するのに必要のない天然細胞の余分な複雑性をすべて取り除くことで、合成生物学の回路をより機敏かつ制御可能なものにすることを可能にするものと期待されている。この技術はまだ発展途上ではあるが、例えば薬物送達、遺伝子治療、人工血液細胞の生産などへの応用に成功しており、より予測可能な挙動を示す合成生物学のための理想的な基質を提供することが期待されている。

非常に有望ではあるが、前述の技術はバイオテクノロジーおよびエンジニアリングにおける主要な研究課題に対する解決策を提供しなければ、バイオ・ナノモノの実現のための信頼できるツールとはみなされない。エンジニアリング設計の観点に焦点を当てると、主要な課題は、内在する非線形現象やノイズを含む結果をもたらすプロセスなど、エンジニアリングされた細胞の基礎となる生物学的プロセスの独特な特性を捉えることのできる、信頼性の高い数学的および物理的モデル、およびコンピュータシミュレーション環境を開発することである。さらに、人工細胞は自然細胞と同様に、すなわち遺伝プログラムの一部をランダムに変更する傾向があり、選択的に進化する、すなわち生存のために最良の突然変異を維持する傾向があり、増殖する際に問題を引き起こす可能性がある一方で、生物学的装置設計者には新たな自由度をもたらす。また、自律的に進化する人工生物は自然の生態系に脅威をもたらし、新たな病原体となる可能性もあるため、生命倫理とセキュリティに関する課題も考慮する必要がある。外部からの指令により細胞の増殖を停止させたり、細胞を破壊したりすることができる「キル」スイッチが生物学的回路に組み込まれるようになったのは最近のことだが、これはこれらの問題の解決策としては部分的なものにすぎない。

バイオ・ナノモノ・コミュニケーション

IoBNTの概念の根底には、バイオ・ナノモノが互いにコミュニケーションを行い、交換された情報に基づいて相互作用する必要性がある。バイオ・ナノモノは、前述の通り、生物細胞の工学から派生しているため、IoBNTのコミュニケーション技術を研究するにあたっては、自然環境が主なインスピレーションの源となる。

自然界における分子通信 自然界では、生化学的および物理的プロセスを通じて分子の合成、変換、放出、伝播、および受信を行うことで、細胞間の情報交換が行われている。この情報交換は、最近では電気通信工学の分野でMC(Molecular Communication)として分類されており[1]、単細胞生物および多細胞生物、個体群、および多種生物共同体における細胞の相互作用と協調を可能にし、細胞成長や増殖などの主要な細胞機能のほとんどに関与している。

細胞内MCは、前述のシグナル伝達経路に基づいている。これは、分子濃度、種類、エネルギー状態などの化学的特性に変調された情報信号を処理する一連の化学反応であり、ソース(送信元)からデスティネーション(受信先)へと伝播するものである[4]。細胞シグナル伝達経路は、情報源と情報受容者の間の距離に基づいて、intracrine(情報源と情報受容者が同一の細胞内にある)、juxtracrine(情報源と情報受容者が互いに隣接する細胞である)、paracrine(情報源と情報受容者が互いに近接しているが隣接していない)、またはendocrine(情報源と情報受容者が互いに離れている)に分類することができる。

細胞内情報伝達の例としては、細胞骨格分子モーターによって操作される分子または分子構造の細胞内輸送が挙げられる。分子モーターは、前述のATP分子を機械エネルギーに変換できる細胞内の特殊なタンパク質である。細胞骨格分子モーターは、分子の集合体を包み込んだ小胞や細胞小器官などの特定の貨物に結合し、細胞の骨格を構成する微小フィラメント構造に付着し、核から細胞膜へ、またはその逆方向に貨物を輸送しながら、それらに沿って移動することができる。

細胞膜の連絡結合によってつながっている2つの細胞の間で、カルシウムイオンCa2+などの分子が交換されることは、近接場コミュニケーションの一例である。筋肉細胞の間で起こる心臓収縮時のシグナル伝達など、自然界にはいくつかの例があり、近接する細胞の間で拡散によって少量の分子が流れ、協調的な行動を同期させる役割を果たしていることを示している。

細菌は、自然界において、集団のメンバーがオートインデューサーと呼ばれるシグナル分子を放出する際に基礎となる傍分泌コミュニケーションなど、いくつかのコミュニケーション手段を示す。このプロセスは細菌のクオラム・センシングと呼ばれ、オートインデューサーは細胞間の空間内に拡散し、受容されると細菌は集団密度を推定し、特定の種類のタンパク質の生産など、相関する反応を示すことができる。細菌は、接合と呼ばれるプロセスを通じて直接接触することで特定のDNA分子、すなわちプラスミドを交換することができ、化学遊走と呼ばれるプロセスを通じて、細胞間空間内で泳ぎながら化学物質の跡をたどってプラスミドを他の離れた細菌に運ぶことができる。

多細胞生物では、内分泌によるコミュニケーションの例として、ホルモンと呼ばれるシグナル分子が腺を構成する細胞から放出され、循環系を通じて伝播し、遠く離れた器官の細胞によって受け取られ、そこで細胞増殖や再生の増加といった特定の反応を引き起こすという例が挙げられる。

工学における課題

分子通信のためのIoBNT内では、バイオ・ナノモノが相互に作用し、同期信号、感知された化学的・物理的パラメータの値、論理演算の結果、一連の指示やコマンドなど、さまざまな種類の情報を交換することが期待されている。 生物学的環境におけるこれらの相互作用をサポートする通信技術の工学は、上述のような自然界で見られる解決策から導かれる必要がある。大きな課題のひとつは、これらの自然界の解決策を制御、修正、または再設計して、自然界とは異なる情報を伝達する方法を理解することである。合成生物学やナノテクノロジーで開発されている前述のツールを基に、エンジニアは最近、MCシステムを実現するためのいくつかの異なる可能性を分析し始めている。その方法としては、細胞の自然なコミュニケーションにおける細胞の挙動を遺伝的に再プログラムする方法[8]、または自然の生物学的構成要素を組み合わせて全く新しい人工的なコミュニケーションシステムを開発する方法[9]がある。

これまで構想されてきたMCシステムの例は、伝送から受信までの距離範囲に基づいて分類することができる。例えば、生物細胞の遺伝的プログラミングによるjuxtracrine通信の制御は、組織やバイオフィルムに編成された場合など、Bio-NanoThingsが互いに接触するネットワークの構築を可能にする。このMC技術は、通常、前述のCa2+交換(図2a)と呼ばれ、細胞膜の厚さに比例する距離をカバーし、非常に短い範囲(数十~数百nm)のMCと考えることができる。前述の細胞骨格分子モーターは、図2bに示すように、イントラクリン・バイオナノモノの通信をカバーするために、短い範囲(nm~mm)のMCを実現するために考えることができる[11]。通信エンジニアは、上述の細菌の接合と走化性プロセスを組み合わせたモデルを、理論的に研究し、既知の走化性特性に従って、中距離(mm-mm)をカバーする可能性のある人工MCシステムとして考えることができる[9]。特に、情報はDNA分子、すなわちプラスミドに格納され、送信者の場所で細菌にロードされ、接合プロセスを通じて受信者と同じ細菌から抽出される。これらの細菌は、図2cに示すように、レシーバーから放出される特定の分子、すなわち化学誘引物質を追跡しながら、走化性によってレシーバーに向かって泳ぐことができる。長距離(mm-m)MCシステムの例は、ヒトの内分泌系におけるホルモン伝達に由来するものとして想定されている[12]。

電気通信工学の観点では、MCを工学的な通信システムの古典的な要素にマッピングすること、および、通信距離、遅延(待ち時間)、容量、スループット、ビットエラーレートなどの主な電気通信特性と性能をモデリングおよび分析することを最終目標として、システム理論と情報理論のツールを使用することが主な課題の1つとなっている[13]。これらの特性に関する知識があれば、異なる IoBNT アプリケーションのシナリオに MC を実現するための異なる技術の比較や分類が可能になり、それらの設計や実現の最適化が可能になる。

前述のマッピングの例を図3に示す。ここで、前述の各MCシステムに関わる主なプロセスは、以下の通信要素に分けられる。エンコーディングとデコーディングは、伝達される情報がどのようにして1つまたは複数の分子特性に表現されるかに関連しており、例えば、特定の分子の種類と数(分子モーターとホルモン伝達)、DNAプラスミド(バクテリア接合走化性)などの生体高分子の組成、または放出された分子濃度(Ca2+交換)などである。伝達と受信には、分子の伝播を開始させる化学的および物理的プロセスが関与する。例えば、分子モーターによる輸送のための小胞へのカプセル化、血流などの流体中での分子の放出、または隣接する2つの細胞間の接合部を介した分子の放出、あるいは環境中の化学誘引分子の存在下での細菌の放出などである。最後に、伝播は、分子モーターが微小繊維構造に沿って這うように移動したり、膜接合部を通じた拡散、血流における拡散と移流、化学誘引物質の発生源(受信機)に向かう細菌の走化性など、伝達物質の場所から受信機まで情報伝達分子を動員することに関係している。

MC分野における多くの文献は、基礎となる物理的および化学的現象の数学的処理を容易にするための単純化された仮定に基づいて、前述のシステムのモデリングと分析に専念してきたが、通信エンジニアがIoBNT通信のための現実的なMCシステムの設計方法を完全に理解するには、まだ長い道のりがある。主な課題は、これらの単純化されたモデルをより現実的なシナリオに変換することである。例えば、MCエンジニアリングでは、これまで細胞内環境における分子の伝播と反応について、例えばカルシウムイオン(Ca2+)伝達における自由拡散モデルが検討されてきたが、より現実的な現象、例えば高濃度の巨大分子、例えばタンパク質による影響(巨大分子の凝集)を考慮して、見直しを行う必要がある。もう一つの例は、内分泌伝播である。内分泌伝播は、これまで明確に定義された血管の小部分集合についてのみ考慮されていたが、モデルでは、人間の心血管系の全体的な平均生理学だけでなく、各個人の特定の特性が伝播の力学に非常に異なる結果をもたらす可能性があることも考慮する必要がある。また、MCエンジニアリングでこれまで使用されてきた細菌走化性のモデルは、単一の細菌の挙動と特性、および体外環境のみに基づいているが、実際には、人体内などのより現実的な環境や、細菌が動的に複製・増殖し、多種混合共同体内で相互作用するという事実を考慮に入れるべきである。MCエンジニアリングのための信頼性の高い分析ツールの開発におけるその他の課題は、多くの生化学現象の非線形性、および古典的なシステムと比較して遺伝子変異などの非常に異なるノイズ源の存在によって生じる。

バイオ・ナノモノ・ネットワークとインターネット

IoBNT内では、バイオ・ナノモノは相互に通信するだけでなく、ネットワーク上で相互に作用し、最終的にはインターネットとインターフェースすることが期待されている。この目的を達成するには、前述のMCシステムの上位にあるネットワーク・アーキテクチャとプロトコルの定義が、IoBNT開発にとって不可欠なステップとなる。IoBNTのさらなる課題は、異種ネットワークの相互接続である。すなわち、異なる種類のバイオ・ナノモノで構成され、異なるMCシステムに基づくネットワークの相互接続である。最後に、インターネットの電気的領域とIoBNTネットワークの生化学的領域の間のインターフェースを実現することが、今日のサイバー世界と生物学的環境のシームレスな相互接続を創出する究極のフロンティアとなるだろう。図4では、異なるMCシステムに基づく複数のネットワークで構成される完全なIoBNTが人体内部に配備され、インターネットに接続された個人用電気機器を介してインターフェースが構築され、体内の状態パラメータが医療提供者へ(または医療提供者から)送信(または受信)されるというシナリオを示している。

バイオ・ナノモノ・ネットワーク実現の課題

コンピュータ・ネットワークの工学は確立された分野であり、多くの異なる技術や応用シナリオに対して、いくつかの異なるソリューションが提供されてきた。しかし、MCパラダイムを物理的媒体として用いた生物学的環境内のネットワークの設計は、ネットワーク・コミュニティに新たな課題を突きつけている。例えば、分子情報は一般的に、古典的な通信における電磁信号のように予測可能な明確な伝搬方向をたどることはない[13]。分子の拡散、細菌の走化性、分子モーターを支える繊維は、発信元と宛先の間でランダムなパターンを描く傾向がある。このような特性や、多くの生化学現象の非線形性といった他の特性により、バイオ・ナノモノが流体などの共有メディアにアクセスするのを制御したり、バイオ・ナノモノを特定したり、コンピュータ・ネットワークの重要な基本要素である情報ルーティングのメカニズムを設計したりするのに、従来の技術を利用するのは特に困難である。

MCシステムの場合と同様に、一つの解決策として考えられるのは、細菌集団[14]や多種生物共同体、あるいは多細胞生物の組織内など、自然界における複数の細胞の相互作用のメカニズムをモデル化、分析、再利用し、IoBNTの情報を伝達することである。

この方向性では、異なるMCシステムに基づく異種バイオ・ナノモノネットワークの相互接続の解決策は、安定した健康状態、すなわちホメオスタシスを維持するために、私たちの体が複数のタイプの情報を管理し融合させる自然な方法から得られる可能性がある[4]。これらの体内プロセスにより、異種通信がさまざまな規模で発生し、細胞内のイントラクリン通信から組織内のジュクスタクリン通信、異なる器官間の内分泌通信へと変換される。例えば、脳下垂体の細胞は、隣接する視床下部組織の細胞から他のホルモンを受信した結果、成長、血圧、体温、睡眠パターンなどの複数のプロセスを制御するために、ホルモンを身体の器官に放出することで、この種の変換を行う。これらのプロセスに基づく生物学的回路は、インターネット上の異なるサブネット間の古典的なゲートウェイを模倣する遺伝子命令のセットを効果的に提供できる可能性がある。図5aは、遺伝子操作されたバクテリアから放出された分子にエンコードされた情報を、ホルモンに翻訳し、循環系に分泌する人工細胞の一般的な例を示している。この設計では、受容体が流入分子を遮断し、一連の化学反応を通じて生物学的回路を活性化し、さらにその生物学的回路がホルモンを生成するために必要な化学反応を誘発するタンパク質を合成する。

バイオ・サイバーインターフェースの課題

バイオ・サイバーインターフェースとは、バイオ・ナノモノネットワークの生化学領域から、電気回路や電磁気通信に基づくインターネットのサイバー領域へ、あるいはその逆方向へ情報を変換するために必要な一連のプロセスを指す。

これらのインターフェースを実現する上での主な課題のひとつは、情報がコード化されている分子特性を正確に読み取り、それを電磁パラメータの変調に変換できる化学的および物理的プロセスの工学技術である。この方向での解決策として考えられるのは、ナノテクノロジーによって実現された、これまでにないセンシング能力を約束する新しい化学的および生物学的センサーである[15]。これらのセンサーは一般的に、特定の分子または分子複合体の存在によって変化する電気的または電磁気的特性を持つ材料で構成されており、分子に結合する生体受容体などの分子複合体によって変化し、それに応じて電気回路の電流を調節する。このセンシング技術をIoBNTアプリケーションに利用する際の主な問題は、現在のところ、待ち時間が長いこと、選択性が低いこと、標準化された応答がないこと、そしてさらに重要なこととして、生体適合性が不明であることである。

ここでいう生体適合性とは、生物学的環境に対する作用を意図された機能に限定し、生物学的パラメータに望ましくない変化をもたらすことなく、設計されたシステムの特性を指す。これは、特に図4に示されているような体内IoBNTアプリケーションにおけるバイオ・サイバー・インターフェースの展開におけるもう一つの課題である。前述のナノセンサーの限られたサイズと、電磁(EM)ナノ通信の現在の有望な研究結果を踏まえ、図5bに示すように、前述の人工細胞内に生物学的ナノセンサーとEMナノ通信ユニットを封入することでバイオサイバーインターフェースを開発できる可能性を想定している。この設計では、生物学的ナノセンサーが化学的および電気的領域のインターフェースを担当し、電磁ナノ通信ユニットが生物学的環境外の電気機器とワイヤレスで通信を行い、人工細胞が生物学的適合性を確保する。しかし、人工細胞膜を伝播する電磁波を発するワイヤレス送信機に十分な電力を供給する能力が課題となっている。同時に、送信機ユニットに細胞内部からエネルギーを供給するアプローチも必要である。別の選択肢としては、体内IoBNTアプリケーションにおける皮膚など、生物学的環境と外部世界との物理的インターフェースで電気/電磁領域を推進するという方法もある。この方向性では、無線自動識別(RFID)技術に基づく電子タトゥーと同様に、近距離内のデバイスを認証できる電子タトゥーに、表皮、汗腺、神経終末の細胞から生化学情報を感知し、それを近くの外部電子デバイスに無線で通信できる生体-サイバーインターフェースを組み込むことができる。

さらなる課題

IoBNTの開発において直面するであろうさらなる課題について、簡単に触れておこう。

本記事で取り上げたIoBNT実現技術は、悪意を持って扱われた場合、深刻なセキュリティ上の脅威をもたらす可能性がある。バイオサイバーテロと名付けた新しいタイプのテロは、IoBNTが提供する生物学的環境の制御や相互作用の可能性を効果的に利用できる。例えば、バイオ・ナノテクノロジーは人体へのアクセスに使用され、個人の健康関連情報の盗難や、新たな病気の創出に利用される可能性がある。さらに、すでに展開されているIoBNTに侵入するために、新たなタイプのウイルスが創出される可能性もある。IoBNT分野の研究では、今日のコンピュータネットワークに適用されているセキュリティ保証方法と、人間の免疫システムのような自然の進化によって開発されたセキュリティソリューションとを組み合わせることで、これらの問題に対処する必要がある。

ワイヤレスセンサーネットワーク(WSN)で実現されているのと同様に、IoBNTにおける位置特定および追跡技術を実現できれば、例えば体内の病変の位置のモニタリングや、環境中の有害物質の位置や分布の特定など、重要な応用が可能になる。その解決策のひとつとして、バイオ・ナノモノにおける走化性の工学技術が考えられる。前述の細菌が特定の分子源を特定し追跡する能力を応用し、例えば、癌細胞や感染細胞から放出されるバイオマーカーを特定するといったことが可能になるかもしれない。

「あらゆるモノが接続される」というビジョンに沿って、究極の目標は、IoBNTとIoNTのパラダイムをIoTに相互接続することである。ナノスケールのデバイスを組み込む際の課題は、大量のデータが生成されることであり、これは「ビッグデータ」の管理という課題を新たなレベルに引き上げるものである。データの量の増加に加え、IoBNTとIoNTがIoTに供給するさまざまなタイプのデータを意味的にマッピングする新たなサービスの設計が必要となる。また、生物学的環境を深く探索し、設計された生物学的実体と相互作用して情報を収集または起動する新たなサービス発見ソリューションも必要となる。

結論

モノのインターネット(IoT)が現実世界の物理的要素同士、および現実世界の物理的要素とインターネットとの広範な接続を可能にする一方で、ナノモノのインターネットは、この概念の限界をナノテクノロジーが実現するナノスケールのデバイスにまで押し広げようとするものである。このナノスケールのデバイスは、環境中に容易に隠蔽、埋め込み、分散させることができる。本稿では、合成生物学とナノテクノロジーを組み合わせ、生物学的細胞の制御、再利用、修正、再設計に基づいてモノを開発する「バイオ・ナノモノ(Internet of Bio-NanoThings)」というさらなる概念を紹介した。本稿では、これらのモノを実現し、さらに重要なこととして、通信およびネットワークエンジニアリングの分野におけるパラダイムシフト技術を用いて、それらの通信とネットワーク化を可能にするために直面する課題について概説した。IoBNTの研究分野はまだ始まったばかりではあるが、将来の社会にとって画期的な技術となるだろう。

謝辞

著者は、建設的なご意見をいただいたJosep Miquel Jornet、Ozan Bicen、Bige Unluturkに感謝の意を表したい。

本研究は、フィンランド・アカデミーの FiDiPro(フィンランド卓越教授)プログラムによる「ナノコミュニケーション・ネットワーク」プロジェクト(2012年~2016年)およびプロジェクト番号284531のフィンランド・アカデミー研究員プログラム、ならびに米国国立科学財団による助成金CNS-1110947およびMCB-1449014の支援を受けている。

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[12] Y. Chahibi et al., “A Molecular Communication System Model for Particulate Drug Delivery Systems,” IEEE Trans. Biomedical Engineering, vol. 60, no. 12, 2013, pp. 3468–83.
[13] M. Pierobon and I. F. Akyildiz, “Fundamentals of Diffusion-Based Molecular Communication in Nanonetworks,” Now Publishers Inc, ISBN-10: 1601988168, ISBN-13: 978- 1601988164, Apr. 2014, 164 pages.
[14] I. F. Akyildiz et al., “MoNaCo: Fundamentals of Molecular Nano-Communication Networks,” IEEE Wireless Commun. Mag., vol. 19, no. 5, Oct. 2012, pp. 12–18.
[15] C. R. Yonzon et al., “Towards Advanced Chemical and Biological Nanosensors – An Overview,” Talanta, vol. 67, no. 3, Sept. 2005, pp. 438–48.

経歴

I. F. アキルディズ(ian.akyildiz@tut.fi)は、ジョージア工科大学(アトランタ)電気・コンピュータ工学部テレコミュニケーション科のケン・バイヤーズ教授職、ブロードバンド無線ネットワーク(BWN)研究所所長、およびジョージア工科大学テレコミュニケーショングループの議長を務める。2013年より、フィンランドのアカデミーが支援するフィンランド卓越教授プログラム(FiDiPro)の教授として、フィンランドのタンペレ工科大学電子通信工学部で教鞭をとっている。IEEEフェロー(1996年)およびACMフェロー(1997年)でもある。IEEEおよびACMから多数の賞を受賞している。現在の研究関心は、ナノネットワーク、テラヘルツ帯通信ネットワーク、第5世代セルラーシステム、ワイヤレスセンサーネットワークなどである。

M. PIEROBON(maxp@unl.edu)は、2013年にジョージア工科大学(ジョージア州アトランタ)で電気・コンピュータ工学の博士号を、2005年にミラノ工科大学(イタリア、ミラノ)で電気通信工学の修士号を取得した。現在、ネブラスカ大学リンカーン校のコンピュータサイエンス・エンジニアリング学部の助教授を務める。IEEE Transactions on Communicationsの編集者でもある。IEEE、ACM、ACSの会員。現在の研究関心は、ナノネットワークの分子通信理論、インテリジェント薬物送達システムに適用される通信工学、セル間通信に適用される電気通信工学など。

S. BALASUBRAMANIAM(sasi.bala@tut.fi)は、1998年にクイーンズランド大学で学士号(電気電子工学)、2005年に同大学で博士号、1999年にクイーンズランド工科大学で修士号(コンピュータ通信工学)を取得した。現在、フィンランドのタンペレ工科大学(TUT)電子通信工学科ナノ通信センターの上級研究員。ACM NANOCOM 2014およびIEEE MoNaCom 2011のTPC共同議長を務めた。現在、IEEE Internet of ThingsおよびElsevierのNano Communication Networksの編集委員。現在の研究関心は、生物に着想を得た通信ネットワークおよび分子通信。

Y. KOUCHERYAVY(evgeni.kucheryavy@tut.fi)は、フィンランドのタンペレ工科大学(TUT)電子通信工学科の教授であり、研究室の責任者でもある。2004年にTUTで博士号を取得。有線および無線ネットワークと通信の分野における多数の出版物の著者でもある。現在の研究関心は、異種無線通信ネットワークとシステム、モノのインターネットとその標準化、ナノ通信のさまざまな側面などである。IEEE Communications Magazineの副技術編集者であり、IEEE Communications Surveys and Tutorialsの編集者でもある。