Komunikacja w nanoskali Pawel Kulakowski, KT, AGH kulakowski@kt.agh.edu.pl 1
Plan wykładu 1. Jak stworzyć nową dziedzinę badań? Przykład Tadashiego Nakano 2. Nanokomunikacja: powody i główne kierunki rozwoju dziedziny 3. Teoria zjawiska FRET 4. Eksperymenty 5. Od badań podstawowych do zastosowań: wyniki prac symulacyjnych 6. Nierozwiązane zagadnienia badawcze i podsumowanie 2
Jak to się może zacząć Tadashi Nakano, post-doc, Osaka University of California, 2002 Szef grupy badawczej: codziennie przychodźcie z jednym nowym pomysłem na badania nacisk na to czym się chcemy zająć, a nie na to jak to zrobić 3
Pierwsze efekty Tadashi Nakano, post-doc, Osaka University of California, 2002 Nowa idea: komunikacja molekularna Pierwsze publikacje, 2005: 1. T. Suda, M. Moore, T. Nakano, R. Egashira, and A. Enomoto, Exploratory research on molecular communication between nanomachines, Genet. Evol. Comput. Conference (GECCO), Washington, USA. 2. S. Hiyama, Y. Moritani, T. Suda, R. Egashira, A. Enomoto, M. Moore, T. Nakano, Molecular communication, NSTI Nanotechnol. Conference. 4
Interdyscyplinarność naukowcy z laboratorium sieci komputerowych studiujący: - biologię - chemię konieczność prac doświadczalnych kontakty z biologami podejście do eksperymentu, oczekiwane wyniki, metody pracy 5
Motywacja dla rozwoju dziedziny ELEKTRONIKA TELEKOMUNIKACJA NANOTECHNOLOGIA NANOKOMUNIKACJA 6 I.F. Akyildiz, F. Brunetti, C. Blazquez, "NanoNetworking: A New Communication Paradigm", Computer Networks, 2008.
Podejścia do problemu 1. Miniaturyzacja (top-down) - nowe materiały: nanorurki węglowe i grafen - pasmo 0.1-10 THz 2. Konstruowanie nanomaszyn z pojedynczych molekuł (bottom-up) 3. Komunikacja molekularna (wywodząca się podejścia bio-hybrid ) 7 Josep Miquel Jornet, PhD Dissertation "Fundamentals of Electromagnetic Nanonetworks in the Terahertz Band", 2013
Mechanizmy komunikacji molekularnej bakterie i nanopręty (transport aktywny) sygnalizacja jonami wapnia propagacja feromonów motory molekularne 8 T. Nakano, A. W. Eckford, and T. Haraguchi, Molecular Communications., Cambridge Univ. Press, 2013
Szybkość propagacji sygnału Mechanizmy molekularne < 50 µm/s (5 10-5 m/s) Förster Resonance Energy Transfer (FRET) 1 m/s 9
Podstawy FRET
Förster Resonance Energy Transfer (FRET) Energia Diagram Jablonskiego: WZBUDZENIE, EMISJA: WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Energia: donor (Tx) akceptor (Rx) Skuteczność FRET: E r 6 R 6 0 R 6 0 R 0 (odległość Förstera) = 3 9 nm T. Förster "Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz", Annalen der Physik, 1948. 11 11
Skuteczność FRET przy k równoodległych akceptorach: E r 6 k R k 6 0 R 6 0 Rx Rx FRET Rx Tx foton (E=hf) Rx Rx 12 K. Solarczyk, et al., "Nanocommunication via FRET with DyLight dyes using Multiple Donors and Acceptors", 2016.
Skuteczność FRET przy n donorach i m akceptorach (MIMO): FRET Modulacja ON-OFF: - bit 0 = brak sygnału - bit 1 = wzbudzenie wszystkich donorów, FRET 13 M. Kuscu, et al., "A Physical Channel Model and Analysis for Nanoscale Communications ", 2012.
Komunikacja wieloskokowa 14
Komunikacja w sieci nanomaszyn 15
Transmisja Modulacja ON-OFF MIMO-FRET i ruting? 16
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 1. Białka z różnymi rodzajami fluoroforów: D donor A akceptor 17 P. Kulakowski, K. Solarczyk, K. Wojcik, Routing in FRET-Based Nanonetworks, IEEE Communications Magazine, 2017.
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 2. Fluorofory o zmiennych charakterystykach widmowych: przed przełączeniem po przełączeniu 18
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 3. Wygaszacze: 19
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 4. Białka o zmiennym kształcie: punkt zgięcia cząsteczki miozyny 20
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 5. Syntaza ATP: rotacja cząsteczki syntazy ATP napięcie elektryczne 21
Wyniki eksperymentalne
Sieć antyciał (Ab) i barwników Alexa Fluor (AF) antyciało (białko) = nanosensor barwnik (AF) = nano nadajnik/odbiornik antyciała w eksperymencie: immunoglobulin G 23 23
Pomiary i obliczenia BER dla MIMO (1,m) i (n,m) BER n, m 0.5 1 E n zmierzona skuteczność FRET BER w kanale (1,m) BER w kanale (n,m) AF405 AF488 14 % 43 % 37 % AF488 AF546 46 % 27 % 0.7 % AF405 AF546 9 % 45.5 % 41 % K. Wojcik, et al., Measurements on MIMO-FRET nano-networks based on Alexa Fluor dyes, IEEE Trans. on Nanotech., 2015. 24
BER w kanałach MIMO (n,m) 25
Pomiary skuteczność rutingu 26
Scenariusz pod mikroskopem konfokalnym Leica około 10 8 nanosieci 27 27
Scenariusz pod mikroskopem konfokalnym Leica P. Kulakowski, K. Solarczyk, K. Wojcik, Routing in FRET-Based Nanonetworks, IEEE Communications Magazine, 2017. 28
Prace symulacyjne bliżej badań stosowanych
Pytanie 1: Jak generować sygnały WEJŚCIOWE? WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Tx Rx LASER? 30
Pytanie 1: Jak generować sygnały WEJŚCIOWE? CHEMICZNE WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Zamiast barwników: LUCYFERAZA (cząsteczka wzbudzana energią chemiczną) Tx: Luc Rx 31
Pytanie 2: Jak odbierać sygnały WYJŚCIOWE? CHEMICZNE WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Luc Rx 32
Pytanie 2: Jak odbierać sygnały WYJŚCIOWE? CHEMICZNE ZMIANA WZBUDZENIE, FRET, POTENCJAŁU: Luc ChR + ChR: + + + RODOPSYNA (po wzbudzeniu, otwiera kanał dla jonów +) + + + + + + + + + + 33
System zbierania danych wew. ciała ludzkiego 34
Komunikacja MIMO-FRET 35 J. Kmiecik, K. Wojcik, P. Kulakowski, A. Jajszczyk, submitted to IEEE Trans. On NanobioScience.
Komunikacja z modulacją ON-OFF 170 nm 170 nm 6 nm (2500 cząsteczek) FRET 75 nm 75 nm 5 nm (900 cząsteczek) BER 0.5 1 E 36
Kompromis: przepustowość vs. BER GŁÓWNE OGRANICZENIE: CYKL LUCYFERAZY = 0.26 S 37
Transmisja do komórek nerwowych 38 J. Kmiecik, P. Kulakowski, K. Wojcik, A. Jajszczyk, submitted to NanoCom 2018.
Kompromis: przepustowość vs. BER GŁÓWNE OGRANICZENIE: CYKL RODOPSYN = 0.06 S 39
Zagadnienia otwarte, nie rozwiązane 1. PRZECIEKI sygnału w ruterach może barwniki z innych pasm EM? 2. CZAS przełączania 3. STEROWANIE nadajnikiem (dostarczanie energii) 4. PORUSZANIE SIĘ nanomaszyn 5. Pomiary na pojedynczych strukturach, np. single molecule FRET? 40
Podsumowanie co warto zapamiętać 1. Nanokomunikacja: temat bardzo aktualny, wymagający współpracy światów BIO i TELE 2. Komunikacja terahercowa, z wykorzystaniem grafenu: raczej dla skali MIKRO 3. Komunikacja molekularna (bio-inspired): dla skali nano, ale wiąże się z bardzo dużymi opóźnieniami 4. Zjawisko FRET: szybkie, na małe odległości, wymagany MIMO-FRET 5. Ruting opiera się na specyficznych cechach konkretnych molekuł 6. Nanokomunikacja to wciąż badania podstawowe, pomiary w tej dziedzinie są konieczne! 41
Dziękuję bardzo! Pawel Kulakowski kulakowski@kt.agh.edu.pl