Undersøgelse af bakteriekommunikation til fremtidige nanoskala netværk

(PhysOrg.com) -- Tror du, at fremtiden for kommunikation er 4G? Tænk igen. Forskere ved Georgia Institute of Technology arbejder på kommunikationsløsninger til netværk, så futuristiske, at de ikke engang eksisterer endnu.

Holdet undersøger, hvordan man får enheder, der er en million gange mindre end længden af ​​en myre, til at kommunikere med hinanden for at danne nanonetværk. Og de bruger et andet syn på "cellulær" kommunikation - nemlig hvordan bakterier kommunikerer med hinanden - for at finde en løsning.

Georgia Tech professor i elektro- og computerteknik Ian Akyildiz og hans forskerhold-Faramarz Fekri, professor i elektro- og computerteknik; Craig Skov, adjunkt i maskinteknik; Brian Hammer, adjunkt i biologi; og Raghupathy Sivakumar, professor i elektro- og computerteknik - blev for nylig tildelt en bevilling på 3 millioner dollars fra National Science Foundation til projektet.

I løbet af de næste fire år, holdet vil studere, hvordan bakterier kommunikerer med hinanden på molekylært niveau for at se, om de samme principper kan anvendes på, hvordan nanoenheder en dag vil kommunikere og danne nanoskala netværk.

Hvis holdet har succes, applikationerne til intelligente, kommunikative nanonetværk kan være vidtrækkende og potentielt livsændrende.

"Nanoskalamaskinerne kunne potentielt sprøjtes ind i blodet, cirkulerer i kroppen for at opdage vira, bakterier og tumorer, " sagde Akyildiz, hovedforsker af undersøgelsen. "Alle disse sygdomme - kræft, diabetes, Alzheimers, astma, hvad end du kan komme i tanke om - de vil være historie gennem årene. Og det er kun én ansøgning."

Nanoteknologi er studiet af at manipulere stof på en atomær og molekylær skala, hvor unikke fænomener muliggør nye anvendelser, der ikke er gennemførlige, når man arbejder med bulkmaterialer eller endda enkelte atomer eller molekyler. Generelt, nanoteknologi beskæftiger sig med udvikling af materialer, anordninger eller strukturer med mindst én dimension på mellem 1 og 100 nanometer. En nanometer er en milliardtedel af en meter.

De fleste af de enheder i nanoskala, der findes i øjeblikket, er primitive, Akyildiz sagde, men med kommunikation kunne enhederne samarbejde og have en kollektiv intelligens.

Det er det spørgsmål, forskerne tager fat på - hvordan ville sådanne nanonetværk kommunikere? På grund af deres størrelse, klassiske kommunikationsløsninger vil ikke fungere. Holdet retter opmærksomheden mod naturen for at få inspiration.

"Vi indså, at naturen allerede har alle disse nanomaskiner. Menneskeceller er perfekte eksempler på nanomaskiner, og det samme gælder for bakterier, " sagde Akyildiz. "Og så, det bedste bud for os er at se på bakteriernes adfærd og lære, hvordan bakterier kommunikerer og bruge disse naturlige løsninger til at udvikle løsninger til fremtidige kommunikationsproblemer."

Bakterier bruger kemiske signaler til at kommunikere med hinanden gennem en proces kaldet quorum sensing, som tillader en population af encellede mikrober at arbejde som en flercellet organisme. Oprindeligt opdaget for flere årtier siden i usædvanlige bioluminescerende marine bakterier, det menes nu, at alle bakterier "taler" med hinanden med kemiske signaler.

Mikrobiologer begynder at lære de "sprog" bakterier taler, og hvilke aktiviteter der styres af denne cellulære kommunikation. Mange sygdomsfremkaldende patogene bakterier bruger quorum sensing til at tænde for deres toksiner og andre faktorer til brug mod en vært. Potentielle terapier er i øjeblikket ved at blive udviklet af nogle forskere, der er designet til at forstyrre quorum sensing af infektiøse bakterier.

"En enkelt patogen bakterie i din krop vil næppe dræbe dig, sagde Hammer, en mikrobiel genetiker. "Men da de kommunikerer, hele gruppen orkestrerer denne koordinerede adfærd ved hjælp af kemisk kommunikation, og slutresultatet er, at de arbejder som en gruppe for at dræbe deres vært. Så kan vi bruge den samme information på en positiv måde ved at udnytte og forstå grænserne for kommunikationen?”

Georgia Tech-forskere Hammer og Forest vil fokusere på eksperimenter for bedre at forstå elementerne i bakteriel kommunikation, og derefter arbejde sammen med de elektriske og computeringeniøreksperter på holdet for at omsætte deres resultater til en mulig kommunikationsmodel for nanonetværk.

"Dette er virkelig revolutionerende forskning, " sagde Fekri, professor i elektro- og computerteknik. »Ingen har set på disse problemer før. Vi står med de store udfordringer. Det kommer til at kræve en masse talent og hårdt arbejde at adressere dem."

Projektet forventes at bane vejen for forskning i nanoskalakommunikation. Udvalget af anvendelser af nanonetværk er utroligt bredt, fra intrakropsnetværk til sundhedsovervågning, kræftdetektion eller lægemiddellevering til kemiske og biologiske angrebsforebyggelsessystemer.

Ved udgangen af ​​fire år, holdet håber at demonstrere de grundlæggende og grundlæggende underliggende teorier for kommunikation af nanoenheder. De håber også at udvikle et simuleringsværktøj, som offentligheden kan bruge til at se, hvordan maskiner kan efterligne bakteriekommunikation, hvilket forhåbentlig vil tiltrække andre forskere til at engagere sig i at undersøge dette område nærmere.

"Eksisterende paradigmer for netværksprotokoller og algoritmer gælder ikke længere. Dette er ud over grænserne for netværksforskning, ” sagde Sivakumar. "Det er virkelig noget, der kan ændre tingene, og ingen har gjort dette før."

En stor styrke ved Georgia Tech-forskerholdet er dets tværfaglige karakter.

"Vi er glade for at kombinere videnskab og teknik såvel som vores respektive værktøjssæt, hvad enten det er genteknologi, genetisk sansning eller netværkskommunikationsteori for at tackle dette problem på systemniveau - denne store udfordring inden for nanoteknologi, sagde Skov, ekspert i biomedicinsk teknik.