Ihon alla: Bio-nano-esineiden internet

IoBNT on viestinnän ja verkkotekniikan paradigman muuttava käsite, jossa on uusia haasteita kehittää tehokkaita ja turvallisia tekniikoita tiedonvaihtoa, vuorovaikutusta ja verkottumista varten biokemiallisella alalla ja mahdollistaa samalla rajapinta Internetin sähköiseen alaan.

Abstrakti

Esineiden internetistä on tullut tärkeä tutkimusaihe viime vuosikymmenen aikana. Esineillä tarkoitetaan toisiinsa kytkettyjä koneita ja esineitä, joissa on sulautettuja tietojenkäsittelyominaisuuksia ja joita käytetään laajentamaan internetiä monille sovellusalueille. Vaikka yleisten esineiden internetin laitteiden tutkimus ja kehittäminen jatkuu, on monia sovellusalueita, joilla tarvitaan hyvin pieniä, piilotettavia ja ei-tunkeutuvia esineitä.

Äskettäin tutkittujen nanomateriaalien, kuten grafeenin, ominaisuudet ovat innoittaneet käsitteeseen Internet of NanoThings (IoNT), joka perustuu nanolaitteiden yhteenliittämiseen. Vaikka IoNT-laitteet mahdollistavat monia sovelluksia, niiden keinotekoinen luonne voi olla haitallista, sillä niiden käyttöönotto voi aiheuttaa ei-toivottuja terveys- tai saastevaikutuksia. Tässä asiakirjassa esitellään bio-nanoesineiden internetin (Internet of Bio-Nano Things, IoBNT) uusi paradigma, joka perustuu synteettisen biologian ja nanoteknologian välineisiin, jotka mahdollistavat biologisten sulautettujen tietojenkäsittelylaitteiden suunnittelun.

Biologisiin soluihin ja niiden biokemiallisiin toimintoihin perustuvat bio-nanoesineet lupaavat mahdollistaa sovelluksia, kuten kehon sisäiset aistimis- ja toimimisverkot sekä myrkyllisten aineiden ja saasteiden ympäristövalvonnan. IoBNT on viestinnän ja verkkotekniikan paradigmaa muuttava konsepti, jossa on uusia haasteita kehittää tehokkaita ja turvallisia tekniikoita tiedonvaihtoa, vuorovaikutusta ja verkottumista varten biokemiallisella alueella ja mahdollistaa samalla rajapinta Internetin sähköiseen alueeseen.

Johdanto

Esineiden internet (Internet of Things, IoT) määrittelee kyberfyysisen paradigman, jossa kaikenlaiset reaalimaailman fyysiset elementit (muun muassa anturit, toimilaitteet, henkilökohtaiset elektroniset laitteet ja kodinkoneet) ovat yhteydessä toisiinsa ja pystyvät itsenäisesti toimimaan vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tämä uudenlainen saumaton liitettävyys mahdollistaa monia sovelluksia, kuten koneiden välisen viestinnän, teollisuusprosessien reaaliaikaisen seurannan, älykkäät kaupungit, älykkäät energiaverkot, älykkään liikenteen, ympäristönvalvonnan, infrastruktuurin hallinnan, lääketieteen ja terveydenhuollon järjestelmät, rakennusten ja kotien automatisoinnin sekä laajamittaiset käyttöönotot. Esineiden internetistä on tullut tutkimuksen ja kehityksen painopiste viimeisten 15 vuoden aikana. Valtiolliset virastot ja teollisuus investoivat ja investoivat edelleen paljon esineiden internetiin maailmanlaajuisesti.

Viime aikoina esineiden internetin käsitettä on tarkistettu nanoteknologian ja tietoliikennetekniikan alalla saavutetun uudenlaisen tutkimustiedon valossa, joka mahdollistaa nanomateriaaleihin, kuten grafeeniin tai metamateriaaleihin, perustuvien sulautettujen tietotekniikkalaitteiden verkkojen kehittämisen, joiden mittakaava vaihtelee yhdestä muutamaan sataan nanometriin, joita kutsutaan nanomateriaaleiksi. Nanoesineiden internetiä (Internet of NanoThings, IoNT), joka esiteltiin ensimmäisen kerran [1], ehdotetaan perustaksi lukuisille tuleville sovelluksille esimerkiksi sotilas-, terveydenhuolto- ja turvallisuusaloilla, joilla nanoesineet voidaan rajallisen kokonsa ansiosta helposti kätkeä, istuttaa ja levittää ympäristöön, jossa ne voivat yhteistyössä suorittaa havaitsemista, aktivointia, käsittelyä ja verkottumista.

Vaikka nanokappaleet voivat viedä laitteiden ja järjestelmien suunnittelun ennennäkemättömiin ympäristöihin ja mittakaavoihin, ne ovat muiden laitteiden tavoin keinotekoisia, koska ne perustuvat syntetisoituihin materiaaleihin ja elektronisiin piireihin ja ovat vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen (EM) viestinnän avulla [1]. Nämä ominaisuudet voivat olla haitallisia joissakin sovellusympäristöissä, kuten kehon sisällä tai luonnollisissa ekosysteemeissä, joissa nanokappaleiden ja niiden EM-säteilyn käyttöönotto voi aiheuttaa ei-toivottuja terveysvaikutuksia tai saastumista.

Biologian alalla tutkitaan uutta tutkimussuuntaa nanokokoisten laitteiden ja järjestelmien suunnittelussa yhdistämällä nanoteknologia ja synteettisen biologian välineet biologisten solujen hallitsemiseksi, uudelleenkäytöksi, muokkaamiseksi ja uudelleenmuokkaamiseksi [2]. Biologisen solun ja tyypillisen esineiden internetin sulautetun tietotekniikkalaitteen välisen analogian perusteella solua voidaan käyttää tehokkaasti substraattina niin sanotun Bio-NanoThingin toteuttamiseen biologisten solujen toiminnallisuuksien, kuten aistimisen, toimimisen, käsittelyn ja viestinnän, ohjauksen, uudelleenkäytön ja uudelleenkehittämisen avulla.

Koska solut perustuvat pikemminkin biologisiin molekyyleihin ja biokemiallisiin reaktioihin kuin elektroniikkaan, tässä artikkelissa esitellyn Bio-NanoThingin Internetin (IoBNT) käsitteen odotetaan muuttavan paradigmaa monilla siihen liittyvillä tieteenaloilla, kuten viestintä- ja verkkotekniikassa, johon tässä artikkelissa keskitytään. DNA-pohjaisten ohjeiden suorittaminen, tiedon biokemiallinen käsittely, kemiallisen energian muuntaminen ja tiedonvaihto molekyylien lähettämisen ja vastaanottamisen kautta, jota kutsutaan molekyylikommunikaatioksi (MC) [3], ovat perustana lukuisille IoBNT:n mahdollistamille sovelluksille, kuten:

• Kehon sisäinen havainnointi ja toimiminen, jossa ihmiskehon sisällä olevat bio-nanoesineet keräävät yhteistyössä terveyteen liittyviä tietoja, lähettävät ne Internetin kautta ulkoiselle terveydenhuollon tarjoajalle ja suorittavat samalta tarjoajalta saatuja käskyjä, kuten lääkkeiden synteesiä ja vapauttamista.
• Kehon sisäisten yhteyksien hallinta, jossa bio-nanoesineet korjaisivat tai estäisivät vikoja sisäelinten välisessä viestinnässä, kuten hormonitoimintaan ja hermostoon perustuvassa viestinnässä, joka on monien sairauksien taustalla.
• Ympäristön valvonta ja puhdistus, jossa ympäristöön, kuten luonnolliseen ekosysteemiin, sijoitetut bio-nanoesineet tarkastavat myrkylliset ja saastuttavat aineet ja muuttavat nämä aineet yhteistyössä bioremediaation avulla, esimerkiksi öljyvuotojen puhdistamiseen käytettävät bakteerit.

Tämä artikkeli on jäsennelty seuraavasti. Ensin määritellään bio-nanoesineet synteettisen biologian ja nanoteknologian nykyisin käytettävissä olevien välineiden valossa. Toiseksi käsitellään yksityiskohtaisesti viestintätekniikan soveltamista bio- nano-esineiden televiestinnän suunnitteluun, ja samalla käsitellään bio- nano-esineiden verkkojen ja Internet-yhteyksien suunnittelun haasteita. Kolmanneksi kuvataan IoBNT:n toteuttamisen jatkotutkimushaasteita. Lopuksi päätämme artikkelin.

Bio-Nanoesineet

IoBNT:n puitteissa bio-nanoesineet määritellään yksiselitteisesti tunnistettaviksi rakenteellisiksi ja toiminnallisiksi perusyksiköiksi, jotka toimivat ja ovat vuorovaikutuksessa biologisessa ympäristössä. Biologisista soluista peräisin olevien ja synteettisen biologian ja nanoteknologian mahdollistamien bio-nanoesineiden odotetaan suorittavan IoT:n sulautetuille tietotekniikkalaitteille tyypillisiä tehtäviä ja toimintoja, kuten havaitsemista, käsittelyä, toimintaa ja vuorovaikutusta toistensa kanssa.

BIOLOGISET SOLUT BIO-NANOESINEIDEN SUBSTRAATTEINA

Biologinen solu on elämän perusyksikkö, joka koostuu kalvosta, joka sulkee sisäänsä sekoituksen pitkälle erikoistuneita molekyylejä, joilla on määritelty kemiallinen koostumus ja toiminta ja jotka voivat myös olla järjestäytyneet toiminnallisiksi rakenteiksi [4]. Tyypillisen esineiden internetin sulautetun tietotekniikkalaitteen komponenttien ja solun elementtien välinen vastaavuus käy ilmi, jos verrataan elektronien etenemistä puolijohteissa toiminnallisesti samankaltaisiin, joskin paljon monimutkaisempiin biokemiallisiin reaktioihin. Tässä yhteydessä, kuten kuvassa 1 havainnollistetaan, joitakin esimerkkejä ovat seuraavat.

Ohjausyksikkö, joka sisältää laitteen sulautetun ohjelmiston, vastaisi solujen DNA-molekyyleihin tiheästi pakattuja geneettisiä ohjeita, jotka koodaavat proteiinirakenteita, solun “datayksiköitä” ja säätelysekvenssejä, jotka ovat samanlaisia kuin ohjelmiston ehdolliset lausekkeet.

Muistiyksikkö, joka sisältää sulautetun järjestelmän tietojen arvot, vastaisi sytoplasman eli solun sisätilan kemiallista sisältöä, joka koostuu solun DNA-ohjeiden perusteella syntetisoimista molekyyleistä ja muista molekyyleistä tai rakenteista, kuten vesikkeleistä, jotka ovat yhteydessä ulkoiseen ympäristöön.

Prosessointiyksikkö, joka suorittaa ohjelmiston ohjeet ja hallinnoi muistia ja oheislaitteita, vastaisi molekyylikoneistoa, joka tuottaa DNA-molekyyleistä niin sanotun transkription ja translaation kautta proteiinimolekyylejä, joiden tyyppi ja pitoisuus riippuvat ohjeista.

Tehoyksikkö, joka tuottaa energiaa sulautetun järjestelmän virtapiirien sähkövirtojen ylläpitämiseksi, vastaisi solun ATP-molekyylin (adenosiinitrifosfaatti) varastoa, jonka solu syntetisoi ulkoisesta ympäristöstä eri muodoissaan saamastaan energiasta ja joka tuottaa solun biokemiallisten reaktioiden suorittamiseen tarvittavan energian.

Lähetinvastaanottomet, joiden avulla sulautetut järjestelmät voivat vaihtaa tietoa, vastaisivat erityisiä kemiallisten reaktioiden ketjuja eli signaalireittejä, joiden kautta solut vaihtavat tietoa sisältäviä molekyylejä.

Aistiminen ja toimiminen, joiden avulla sulautetut järjestelmät voivat hankkia tietoa ja olla vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa, vastaavat solun kykyä tunnistaa kemiallisesti ulkoisia molekyylejä tai fyysisiä ärsykkeitä, kuten valoa tai mekaanista rasitusta, ja muuttaa ympäristön kemiallisia ominaisuuksia tai olla mekaanisesti vuorovaikutuksessa liikkuvien elementtien, kuten lippuloiden, piikkien tai värekarvojen, avulla.

MAHDOLLISTAVAT TEKNOLOGIAT JA HAASTEET

Synteettisen biologian tieteenala tarjoaa välineitä solujen rakenteen ja toiminnan hallintaan, uudelleenkäyttöön, muokkaamiseen ja uudelleenkäsittelyyn, ja sen odotetaan antavan insinööreille mahdollisuuden käyttää biologisia soluja tehokkaasti ohjelmoitavina substraatteina, jotta voidaan toteuttaa bio-nanoesineitä biologisina sulautettuina laskentalaitteina [2]. DNA:n sekvensointi- ja synteesitekniikat, jotka mahdollistavat geneettisen koodin tietojen lukemisen ja kirjoittamisen biologisten solujen DNA-molekyyleihin, antavat insinööreille yhä avoimemman pääsyn elämän perustana oleviin rakenteellisiin ja toiminnallisiin ohjeisiin.

Erityisesti synteettisten biologisten piirien [5] luominen geneettistä koodia manipuloimalla on mahdollistanut erityisesti suunniteltujen toimintojen ohjelmoinnin solujen suoritettavaksi. Biologinen piiri on joukko geenejä, jotka koodaavat proteiineja ja säätelyjaksoja, jotka yhdistävät proteiinisynteesin toisiinsa keskinäisen aktivoinnin ja repression mekanismeilla. Nykyään biologisten piirien avulla onnistuneesti kehitetyt toiminnot vaihtelevat AND- ja OR-logiikkaporteista erityyppisiin viritettäviin oskillaattoreihin, vaihtokytkimiin ja laskureihin. Tietokantojen kehittäminen, jotka sisältävät biologisten piirien standardiosia, joilla on tunnetut toiminnot ja käyttäytyminen, kuten BioBricks, ja työkalut niiden yhdistämiseksi monimutkaisemmiksi malleiksi [6], vievät synteettistä biologiaa kohti samanlaista kehitystä kuin elektroniikan integroitujen sähköpiirien suunnittelussa on tapahtunut. Tämän seurauksena insinöörit voivat pian saada täyden pääsyn edellä mainittujen solujen osien toiminnallisuuksiin ja käyttää soluja ja niiden ominaisuuksia uudelleen ilman, että heiltä vaaditaan biotekniikan syvällistä tuntemusta. Yksi synteettisen biologian viimeisimpiä rajoja on keinotekoisten solujen kehittäminen, jonka mahdollistavat muun muassa nanoteknologian välineet.

Keinosoluilla on luonnonsoluihin verrattuna minimaaliset toiminnot ja rakenneosat, ja ne kootaan alhaalta ylöspäin kapseloimalla tarvittavat elementit joko biologisiin tai täysin synteettisiin koteloiviin kalvoihin [7]. Keinosolut voivat näin ollen sisältää geneettisen informaation, siihen liittyvät molekyylikoneistot transkriptiota, translaatiota ja replikaatiota varten sekä kaikki tarvittavat erikoistuneet molekyylit ja rakenteet. Keinosolujen odotetaan mahdollistavan synteettisten biologisten piirien ketterämmän ja hallittavamman käytön poistamalla luonnonsoluista kaikki ylimääräinen monimutkaisuus, jota ei tarvita suunniteltujen toimintojen suorittamiseen.

Vaikka tämä tekniikka on vielä lapsenkengissä, sitä on sovellettu menestyksekkäästi esimerkiksi lääkkeiden toimittamiseen, geeniterapiaan ja keinotekoisten verisolujen tuotantoon, ja sen odotetaan tuottavan ihanteellisia substraatteja synteettiseen biologiaan, jonka käyttäytyminen on ennustettavampaa. Vaikka edellä mainitut teknologiat ovatkin erittäin lupaavia, niiden on tarjottava ratkaisuja tärkeimpiin bioteknologian ja tekniikan tutkimushaasteisiin, ennen kuin niitä voidaan pitää luotettavina välineinä bio-nanoesineiden toteuttamisessa. Tekniikan suunnittelun näkökulmasta katsottuna suurena haasteena on kehittää luotettavia matemaattisia ja fysikaalisia malleja ja tietokonesimulointiympäristöjä, jotka pystyvät kuvaamaan kehitettyjen solujen perustana olevien biologisten prosessien erityispiirteitä, kuten epälineaarisia ilmiöitä ja prosesseja, joiden lopputulos on häiriöaltis. Lisäksi keinotekoiset solut lisääntyvät ja mutatoituvat, eli niillä on taipumus muuttaa satunnaisesti osia geneettisestä ohjelmastaan, ja ne kehittyvät valikoivasti, eli niillä on taipumus säilyttää selviytymisensä kannalta parhaat mutaatiot lisääntyessään, mikä lisää mahdollisia ongelmia mutta myös uusia vapausasteita biologisten laitteiden suunnittelijalle.

Toinen huomioon otettava haaste liittyy bioetiikkaan ja turvallisuuteen, sillä itsenäisesti kehittyvät keinotekoiset organismit voivat olla uhka luonnollisille ekosysteemeille ja niistä voi tulla jopa uusia taudinaiheuttajia. Biologisiin virtapiireihin hiljattain kehitetyt “tappokytkimet”, jotka pystyvät pysäyttämään solujen lisääntymisen tai käynnistämään solujen tuhoutumisen ulkoisen käskyn perusteella, ratkaisevat näitä ongelmia vain osittain.

Bio-NanoEsineiden Viestintä

IoBNT-konseptin perustana on tarve, että bio-nanoesineet voivat kommunikoida keskenään ja olla vuorovaikutuksessa keskenään vaihdettujen tietojen perusteella. Koska bio-nanoesineet ovat peräisin biologisten solujen suunnittelusta, kuten edellä on kuvattu, luonnollinen ympäristö on tärkein inspiraatio IoBNT:n viestintätekniikoiden tutkimisessa.

MOLEKYYLIKOMMUNIKAATIO LUONNOSSA

Luonnossa solujen välinen tiedonvaihto perustuu molekyylien synteesiin, muuntamiseen, lähettämiseen, levittämiseen ja vastaanottamiseen biokemiallisten ja fysikaalisten prosessien avulla. Tämä tiedonvaihto, joka on hiljattain luokiteltu tietoliikennetekniikassa MC:ksi [1], mahdollistaa solujen vuorovaikutuksen ja yksisoluisten ja monisoluisten organismien, populaatioiden ja monilajisten konsortioiden koordinoinnin, ja se osallistuu useimpiin tärkeimpiin solutoimintoihin, kuten solujen kasvuun ja lisääntymiseen.

MC soluissa perustuu edellä mainittuihin signaalireitteihin, jotka ovat kemiallisten reaktioiden ketjuja, jotka käsittelevät kemiallisiksi ominaisuuksiksi, kuten molekyylin pitoisuudeksi, tyypiksi ja energiatilaksi, moduloituja informaatiosignaaleja ja levittävät niitä lähteestä eli lähettimestä määränpäähän eli vastaanottimeen [4]. Solujen signaalireitit voidaan luokitella lähteen ja kohteen välisen etäisyyden perusteella intrakriinisiin (lähde ja kohde ovat saman solun sisällä), juxtrakriinisiin (lähde ja kohde ovat soluja, jotka ovat kosketuksissa toisiinsa), parakriinisiin (lähde ja kohde ovat toistensa läheisyydessä, mutta eivät kosketuksissa toisiinsa) tai endokriinisiin (lähde ja kohde ovat kaukana toisistaan).

Esimerkkinä intrakriinisestä viestinnästä on molekyylien tai molekyylirakenteiden solunsisäinen kuljetus, jota sytoskeletaaliset molekyylimoottorit hoitavat. Molekyylimoottorit ovat solunsisäisiä erikoistuneita proteiineja, jotka pystyvät muuntamaan edellä mainitut ATP-molekyylit mekaaniseksi energiaksi. Sytoskeletaaliset molekyylimoottorit kykenevät sitoutumaan tiettyyn lastiin, kuten molekyylikokonaisuuksia sisältäviin vesikkeleihin tai kokonaisiin soluelimiin, kiinnittymään solun luurangon muodostaviin mikrofilamenttirakenteisiin ja ryömimään niitä pitkin kuljettamalla lastia ytimestä solukalvolle ja päinvastoin.

Molekyylien, kuten kalsiumionien Ca2+, vaihto kahden solun välillä, jotka ovat yhteydessä toisiinsa kalvojensa välityksellä, on esimerkki juxtacrine-viestinnästä. Useat esimerkit luonnossa, kuten sydämen supistumisen aikana lihassolujen eli myosyyttien välillä tapahtuva viestinvälitys, osoittavat, miten pieni määrä molekyylejä voi virrata diffuusion avulla naapurisolujen välillä ja olla vastuussa koordinoitujen toimintojen synkronoinnista.

Bakteereilla on luonnossa useita viestintävälineitä, kuten parakriininen viestintä, joka perustuu populaation jäsenten lähettämiin autoinduktiomolekyyleihin. Tässä prosessissa, jota kutsutaan bakteerien kvorum sensingiksi, autoinduktiot diffundoituvat solujen väliseen tilaan, ja vastaanotettuaan ne antavat bakteereille mahdollisuuden arvioida populaation tiheyttä ja saada korreloivan vasteen, kuten erityyppisten proteiinien tuottamisen. Bakteerit voivat myös vaihtaa tiettyjä DNA-molekyylejä eli plasmideja suorassa kosketuksessa konjugaatioksi kutsutun prosessin kautta ja kuljettaa plasmideja toisiin kaukana oleviin bakteereihin solujenvälisessä tilassa uimalla kemotaksiaksi kutsutun prosessin avulla kemiallisia polkuja pitkin.

Monisoluisissa eliöissä esimerkki hormonaalisesta viestinnästä on hormoneiksi kutsutut signaalimolekyylit, jotka vapautuvat rauhasten soluista, etenevät verenkiertojärjestelmän kautta ja päätyvät kaukana sijaitsevien elinten soluihin, joissa ne saavat aikaan erityisiä vasteita, kuten solujen kasvun ja lisääntymisen lisääntymisen.

IOBNT:N MOLEKYYLIVIESTINNÄN SUUNNITTELUN HAASTEET

IoBNT:ssä bio-nanoesineiden odotetaan olevan vuorovaikutuksessa keskenään vaihtamalla erityyppisiä tietoja, kuten synkronointisignaaleja, havaittujen kemiallisten/fysikaalisten parametrien arvoja, loogisten operaatioiden tuloksia sekä ohje- ja komentosarjoja. Viestintätekniikoiden suunnittelussa, joilla tuetaan näitä vuorovaikutustapoja biologisessa ympäristössä, on otettava huomioon luonnosta löytyvät ratkaisut, kuten edellä kuvatut.

Yksi suurimmista haasteista on ymmärtää, miten näitä luonnollisia ratkaisuja voidaan valvoa, muuttaa tai suunnitella uudelleen, jotta voidaan välittää tietoa, joka voi poiketa luonnollisesta. Synteettisessä biologiassa ja nanoteknologiassa kehitettävien edellä mainittujen työkalujen pohjalta insinöörit ovat viime aikoina alkaneet analysoida useita erilaisia mahdollisuuksia toteuttaa MC-järjestelmiä joko ohjelmoimalla solujen käyttäytymistä geneettisesti uudelleen niiden luonnollisen viestinnän puitteissa [8] tai kehittämällä täysin uusia keinotekoisia viestintäjärjestelmiä kokoamalla luonnollisia biologisia komponentteja [9].

Esimerkkejä tähän mennessä suunnitelluista MC-järjestelmistä voidaan luokitella sen perusteella, kuinka pitkän matkan niiden odotetaan kattavan lähetyksestä vastaanottoon. Esimerkiksi biologisten solujen geneettisen ohjelmoinnin avulla tapahtuvan juxtrakriinisen viestinnän ohjaaminen voi mahdollistaa sellaisten verkkojen suunnittelun, joissa bio-nanoesineet ovat yhteydessä toisiinsa, esimerkiksi kudokseen tai biofilmiin järjestäytyneinä [10]. Tämä MC-tekniikka, johon yleensä viitataan edellä mainittuun Ca2+-vaihtoon, joka on esitetty kuvassa 2a, kattaa etäisyydet, jotka ovat verrannollisia solukalvojen paksuuteen, ja sitä voidaan pitää hyvin lyhyen kantaman (kymmenistä satoihin nm) MC:nä. Edellä mainittuja sytoskelettimolekyylimoottoreita voidaan harkita lyhyen kantaman (nm-mm) MC:n toteuttamiseksi [11], kuten kuvassa 2b on esitetty, ja ne kattavat intrakriinisen Bio-NanoThings-viestinnän.

Viestintäinsinöörit ovat myös yhdistäneet edellä kuvattuja bakteerien konjugaatio- ja kemotaksisprosessien malleja tutkiakseen teoreettisesti mahdollista keinotekoista MC-järjestelmää, jonka voidaan katsoa tunnettujen kemotaksisominaisuuksien perusteella kattavan keskialueen (mm-mm) [9]. Tieto esitetään DNA-molekyyleinä eli plasmideina, jotka ladataan lähettimen kohdalla bakteereihin ja uutetaan samoista bakteereista vastaanottimen kohdalla konjugaatioprosessin avulla.

Nämä bakteerit pystyvät uimaan kemotaksian avulla kohti vastaanottajaa seuraamalla, kun vastaanottaja vapauttaa erityisiä molekyylejä eli kemoattraktioita, kuten kuvassa 2c on esitetty. Esimerkkinä pitkän kantaman (mm-m) MC-järjestelmästä on kuvattu ihmisen hormoniviestintä ihmisen hormonijärjestelmässä [12], kuten kuvassa 2d on esitetty. Tietoliikennetekniikan näkökulmasta yksi tärkeimmistä haasteista on MC:n liittäminen teknisen viestintäjärjestelmän klassisiin elementteihin ja järjestelmä- ja informaatioteorian työkalujen käyttö, jonka lopullisena tavoitteena on mallintaa ja analysoida tärkeimmät tietoliikenneominaisuudet ja suorituskyky, kuten kantama, viive (latenssi), kapasiteetti, läpäisykyky ja bittivirheiden määrä [13].

Näiden ominaisuuksien tunteminen mahdollistaa sitten MC:n toteuttamiseen tarkoitettujen mahdollisten eri tekniikoiden vertailun ja luokittelun eri IoBNT-sovellusskenaarioissa sekä niiden suunnittelun ja toteutuksen optimoinnin. Esimerkkejä edellä mainitusta kartoituksesta on esitetty kuvassa 3, jossa kuhunkin edellä kuvattuun MC-järjestelmään liittyvät pääprosessit on jaettu viestintäelementteihin seuraavasti. Koodaus ja dekoodaus liittyvät siihen, miten siirrettävä tieto esitetään yhdeksi tai useammaksi molekyylin ominaisuudeksi, kuten tiettyjen molekyylityyppien ja -määrien joukot (molekyylimoottorit ja hormonaalinen viestintä), biologisten makromolekyylien koostumus, kuten DNA-plasmidit (bakteerien konjugaatiokemotaksia), tai vapautuneen molekyylin pitoisuus (Ca2+ -vaihto).

Lähetys ja vastaanotto käsittävät kemialliset ja fysikaaliset prosessit, joilla käynnistetään molekyylien eteneminen, esimerkiksi kapseloituminen vesikkeleihin molekyylimoottorikuljetusta varten, molekyylien vapautuminen nesteessä, kuten verenkierrossa, tai kahden vierekkäisen solun välisen liitoskohdan kautta tai bakteerien vapautuminen kemoattraktiivisten molekyylien läsnä ollessa ympäristössä.

Leviämisessä on kyse informaatiota kantavien molekyylien liikkeelle lähtemisestä lähettimen sijainnista vastaanottimeen, esimerkiksi molekyylimoottorien ryömimällä mikrofilamenttirakenteita pitkin, diffuusiolla kalvoliittymien läpi, diffuusiolla ja advektiolla verenkierrossa sekä bakteerien kemotaksisoimisella kohti kemoattraktiivista lähdettä (vastaanotin).

Vaikka suuri osa MC-alan kirjallisuudesta on omistettu edellä mainittujen järjestelmien mallintamiselle ja analysoinnille yksinkertaistavien oletusten avulla, jotka lisäävät taustalla olevien fysikaalisten ja kemiallisten ilmiöiden matemaattista käsiteltävyyttä, viestintäinsinöörin on vielä pitkä matka edessään, jotta hän ymmärtäisi täysin, miten suunnitella realistisia MC-järjestelmiä IoBNT-viestintään.

Suurimmat haasteet liittyvät näiden yksinkertaistettujen mallien muuntamiseen realistisemmiksi skenaarioiksi. Esimerkiksi MC-tekniikassa tähän asti tarkasteltuja vapaan diffuusion malleja, jotka koskevat molekyylien etenemistä ja reaktioita solunsisäisessä ympäristössä, esimerkiksi Ca2+ -viestinnässä, on tarkistettava siten, että niihin sisällytetään realistisempia ilmiöitä, kuten makromolekyylien, esimerkiksi proteiinien, suurten pitoisuuksien vaikutus, jota kutsutaan makromolekyylien ahtaudeksi. Toisena esimerkkinä voidaan mainita endokriininen eteneminen, jota on tähän mennessä tarkasteltu hyvin määriteltyjen verisuonten pienelle osajoukolle, jossa malleissa olisi otettava huomioon paitsi ihmisen sydän- ja verisuonijärjestelmän koko keskimääräinen fysiologia myös se, että kunkin yksilön erityispiirteet voivat johtaa hyvin erilaiseen etenemisdynamiikkaan.

Lisäksi MC-tekniikassa tähän mennessä käytetyt bakteerien kemotaksismimallit perustuvat vain yksittäisten bakteerien käyttäytymiseen ja ominaisuuksiin sekä in vitro -ympäristöihin, vaikka todellisuudessa olisi otettava huomioon realistisemmat ympäristöt, kuten ihmiskehon sisällä, ja se, että bakteerit voivat lisääntyä ja lisääntyä dynaamisesti ja olla vuorovaikutuksessa monilajisten konsortioiden sisällä. Muita haasteita luotettavien analyyttisten välineiden kehittämiselle MC-suunnittelua varten ovat monien biokemiallisten ilmiöiden epälineaarinen luonne ja hyvin erilaiset häiriölähteet, kuten geneettiset mutaatiot, verrattuna klassisiin järjestelmiin.

BIO-OLENNAISVERKOT JA INTERNET

IoBNT:ssä bio-nanoesineiden ei odoteta ainoastaan kommunikoivan keskenään, vaan niiden odotetaan myös toimivan vuorovaikutuksessa verkostoissa, jotka ovat lopulta yhteydessä Internetiin. Tätä varten verkkoarkkitehtuurien ja -protokollien määrittely edellä mainittujen MC-järjestelmien pohjalta on olennainen vaihe IoBNT:n kehittämisessä. IoBNT:n lisähaasteena on heterogeenisten verkkojen yhteenliittäminen, toisin sanoen erityyppisistä bio-nanoesineistä koostuvien ja erilaisiin MC-järjestelmiin perustuvien verkkojen yhteenliittäminen.

Internetin sähköisen alueen ja IoBNT-verkkojen biokemiallisten alueiden välisten rajapintojen toteuttaminen on lopullinen etappi, jolla luodaan saumaton yhteys nykyisen kybermaailman ja biologisen ympäristön välille. Kuvassa 4 on esitetty mahdollinen skenaario, jossa täydellinen IoBNT, joka koostuu useista eri MC-järjestelmiin perustuvista verkoista, sijoitetaan ihmiskehon sisälle ja johon liitetään Internetiin kytketty henkilökohtainen sähkölaite, joka välittää kehon sisäisiä tilaparametreja (ja vastaanottaa komentoja ja ohjeita) terveydenhuollon tarjoajalle (tai terveydenhuollon tarjoajalta).

HAASTEET BIO-NANOESINE-VERKKOJEN TOTEUTTAMISESSA

Tietokoneverkkojen suunnittelu on vakiintunut ala, jolla on tarjottu useita erilaisia ratkaisuja moniin eri tekniikoihin ja sovellusskenaarioihin, mutta verkkojen suunnittelu biologisessa ympäristössä, joka perustuu MC-paradigmaan fyysisenä väliaineena, asettaa verkkoyhteisölle uusia haasteita. Esimerkiksi molekulaarinen informaatio ei yleensä noudata ennustettavia ja varmoja etenemissuuntia, kuten sähkömagneettiset signaalit klassisessa viestinnässä [13].

Molekyylien diffuusio, bakteerien kemotaksis ja molekyylimoottoreita tukevat filamentit pyrkivät kattamaan satunnaisia kuvioita lähteen ja määränpään välillä. Tämä ja muut erityispiirteet, kuten monien biokemiallisten ilmiöiden epälineaarinen luonne, tekevät erityisen haastavaksi käyttää klassisia tekniikoita, joilla voidaan säädellä Bio-NanoThingsin pääsyä jaettuihin väliaineisiin, kuten nesteisiin, osoitteistaa Bio-NanoThingsia ja suunnitella tiedon reititysmekanismeja, jotka ovat tärkeitä tietokoneverkkojen perusasioita.

Kuten MC-järjestelmien kohdalla, yksi mahdollinen ratkaisu on mallintaa, analysoida ja käyttää uudelleen luonnossa esiintyviä monisoluisten solujen vuorovaikutusmekanismeja, kuten bakteeripopulaatioissa [14] ja monilajisissa konsortioissa tai monisoluisten organismien kudoksissa, IoBNT-tiedon välittämiseksi.

Tähän suuntaan ratkaisu eri MC-järjestelmiin perustuvien heterogeenisten Bio-NanoThing-verkkojen yhteenliittämiseen voisi yhtä hyvin olla peräisin luonnollisesta tavasta, jolla elimistömme hallitsee ja yhdistää useita eri tietotyyppejä ylläpitääkseen vakaan, terveen tilan eli homeostaasin [4]. Nämä kehon sisäiset prosessit mahdollistavat heterogeenisen viestinnän eri mittakaavoissa, jotka ulottuvat solunsisäisestä viestinnästä solun sisäiseen viestintään, kudosten sisäiseen rinnakkaisviestintään ja eri elinten väliseen endokriiniseen viestintään. Esimerkiksi aivolisäkkeen solut suorittavat tämäntyyppistä translaatiota vapauttamalla hormoneja kehon elimiin ohjaamaan useita prosesseja, kuten kasvua, verenpainetta, lämpötilaa ja nukkumistottumuksia, sen seurauksena, että viereisen hypotalamuskudoksen solut vastaanottavat muita hormoneja.

Näihin prosesseihin perustuvat biologiset piirit voisivat tehokkaasti tarjota geneettisiä ohjeita, jotka jäljittelevät Internetin eri aliverkkojen välisiä klassisia portteja. Kuvassa 5a esitetään yleinen esimerkki keinotekoisesta solusta, joka muuntaa muunnettujen bakteerien lähettämiin molekyyleihin koodattua tietoa hormoneiksi, joita voidaan erittää verenkiertojärjestelmään.

Tässä mallissa reseptorit sieppaisivat saapuvat molekyylit, jotka kemiallisten reaktioiden kaskadin kautta aktivoisivat biologisen piirin, joka puolestaan syntetisoi proteiineja, jotka pystyvät käynnistämään hormonien tuottamiseen tarvittavat kemialliset reaktiot.

BIO- JA KYBERRAJAPINTOJEN HAASTEET

Bio- ja kyberrajapinta määritellään tässä prosessien kokonaisuudeksi, joka on tarpeen tiedon siirtämiseksi biokemialliselta alueelta Bio-NanoThing-verkoista Internetin kyberalueelle, joka perustuu sähköpiireihin ja sähkömagneettiseen viestintään, ja päinvastoin. Yksi näiden rajapintojen toteuttamisen suurimmista haasteista on sellaisten kemiallisten ja fysikaalisten prosessien suunnittelu, joilla voidaan lukea tarkasti molekyylien ominaisuudet, joihin tieto on koodattu, ja muuntaa ne sähkömagneettisten parametrien moduloinniksi. Mahdollinen ratkaisu tähän suuntaan voisi olla nanoteknologian mahdollistamat uudet kemialliset ja biologiset anturit, jotka lupaavat ennennäkemättömiä havaintokykyjä [15].

Nämä anturit koostuvat yleensä materiaaleista, joille on ominaista sähköiset tai sähkömagneettiset ominaisuudet, joita voidaan muuttaa tiettyjen molekyylien tai molekyylikompleksien, kuten molekyyleihin sidottujen biologisten reseptorien, läsnäololla ja jotka näin ollen muokkaavat sähköpiirin virtaa. Suurimmat ongelmat tämän anturitekniikan käyttämisessä IoBNT-sovelluksissa ovat sen nykyisin korkea viive, alhainen selektiivisyys, standardoidun vasteen puuttuminen ja ennen kaikkea tuntematon bioyhteensopivuus, jota tarkastellaan seuraavaksi. Biologinen yhteensopivuus, jolla tarkoitetaan tässä yhteydessä suunnitellun järjestelmän ominaisuutta rajoittaa sen vaikutus biologiseen ympäristöön yksinomaan sen aiottuun tehtävään ilman biologisten parametrien ei-toivottua muuttumista, on toinen haaste bio-kiberi-rajapintojen käyttöönotossa, erityisesti kehon sisäisissä IoBNT-sovelluksissa, kuten kuvassa 4 esitetään. Kun otetaan huomioon edellä mainittujen nanosensoreiden rajallinen koko ja nykyiset lupaavat tutkimustulokset sähkömagneettisen (EM) nanoviestinnän alalla, näemme mahdolliseksi kehittää bio-kiberi-rajapintoja kapseloimalla biologiset nanosensorit ja EM-nanoviestintäyksiköt edellä mainittuihin keinotekoisiin soluihin, kuten kuvassa 5b on esitetty.

Tässä mallissa biologinen nanosensori vastaisi kemiallisten ja sähköisten osa-alueiden yhdistämisestä, EM-nanokommunikaatioyksikkö kommunikoi langattomasti biologisen ympäristön ulkopuolisten sähkölaitteiden kanssa, ja keinotekoinen solu varmistaisi bioyhteensopivuuden. Haasteena on kuitenkin kyky tuottaa riittävästi tehoa, jotta langaton lähetin voisi lähettää sähkömagneettisia aaltoja, jotka voivat levitä keinotekoisen solukalvon läpi.

Samaan aikaan tarvitaan myös lähestymistapoja, joilla voidaan kerätä energiaa lähetinyksikköä varten solun sisältä. Toinen vaihtoehto on työntää sähköinen/EM-alue biologisen ympäristön ja ulkomaailman väliselle fyysiselle rajapinnalle, kuten iholle, kehon sisäisiä IoBNT-sovelluksia varten. Tähän suuntaan elektroniset tatuoinnit, jotka muistuttavat radiotaajuustunnistustekniikkaan (RFID) perustuvia tatuointeja, joiden avulla käyttäjät voivat todentaa laitteet lähietäisyydeltä, voisivat sisältää bio- ja kyberrajapinnan, joka kykenee havaitsemaan biokemiallista tietoa epidermiksen soluista, hikirauhasista tai hermopäätteistä ja välittämään sen langattomasti lähellä oleviin ulkoisiin elektronisiin laitteisiin.

LISÄHAASTEITA

Seuraavaksi mainitaan lyhyesti joitakin muita IoBNT:n kehittämiseen liittyviä haasteita. Tässä artikkelissa käsitellyt IoBNT:n mahdollistavat teknologiat voivat aiheuttaa vakavia turvallisuusuhkia, jos niitä käytetään pahantahtoisesti. Uudenlainen terrorismi, jota kutsumme biokirjoterrorismiksi, voisi tehokkaasti hyödyntää IoBNT:n tarjoamia lukuisia mahdollisuuksia hallita biologista ympäristöä ja olla vuorovaikutuksessa sen kanssa.

Bio-nanoesineitä voitaisiin esimerkiksi käyttää ihmiskehoon pääsemiseen ja joko varastamaan henkilökohtaisia terveyteen liittyviä tietoja tai jopa luomaan uusia sairauksia. Lisäksi voitaisiin luoda uudentyyppisiä viruksia, joilla voitaisiin murtautua jo käytössä oleviin IoBNT:iin.

IoBNT-alan tutkimuksessa olisi väistämättä puututtava näihin ongelmiin yhdistämällä nykyisiin tietokoneverkkoihin sovellettavat tietoturvan varmistusmenetelmät luonnon evoluution myötä kehittyneisiin tietoturvaratkaisuihin, kuten ihmisen immuunijärjestelmään. Paikannus- ja seurantatekniikoiden toteuttaminen IoBNT:ssä samalla tavalla kuin langattomissa sensoriverkoissa (WSN) voisi mahdollistaa tärkeitä sovelluksia, jotka liittyvät esimerkiksi sairauksien sijainnin seurantaan elimistössä tai myrkyllisten aineiden sijainnin ja jakautumisen tunnistamiseen ympäristössä.

Yksi ratkaisu voisi olla bio-nanoesineiden kemotaksiksen suunnittelu, joka perustuu edellä mainittuun bakteerien kykyyn paikallistaa ja jäljittää tietyntyyppisten molekyylien lähteitä, jotka voivat olla esimerkiksi syöpäsolujen tai infektoituneiden solujen vapauttamia biomarkkereita. “Kaikki on yhteydessä toisiinsa” -vision mukaisesti perimmäisenä tavoitteena on yhdistää IoBNT- ja IoNT-paradigmat IoT:hen.

Nanolaitteiden käyttöönoton haasteena on syntyvä suuri tietomäärä, joka nostaa “Big Data” -tiedon hallinnan haasteet uudelle tasolle. Tietomäärän kasvun lisäksi on suunniteltava uusia palveluja, joilla voidaan semanttisesti kartoittaa erityyppisiä tietoja, joita IoBNT ja IoNT syöttävät IoT:hen. Tarvitaan myös uusia palveluhakuratkaisuja, joilla voidaan etsiä syvälle biologisiin ympäristöihin ja olla vuorovaikutuksessa biologisten kokonaisuuksien kanssa, jotta niitä voidaan aktivoida tai kerätä tietoa.

Päätelmä

Esineiden internet mahdollistaa reaalimaailman fyysisten elementtien läpitunkevan yhdistämisen toisiinsa ja internetiin, mutta nanoesineiden internetissä ehdotetaan, että tämän käsitteen rajoja laajennetaan nanoteknologiaan perustuviin nanomittakaavan laitteisiin, jotka voidaan helposti kätkeä, istuttaa ja levittää ympäristöön. Tässä artikkelissa esiteltiin lisäksi käsite Internet of Bio-NanoThings, jossa synteettinen biologia ja nanoteknologia yhdistetään biologisten solujen hallintaan, uudelleenkäyttöön, muokkaamiseen ja uudelleenkehittämiseen perustuvien esineiden kehittämiseksi.

Tässä artikkelissa hahmotellaan haasteita, joita on kohdattava näiden esineiden toteuttamisessa ja ennen kaikkea niiden viestinnän ja verkottumisen mahdollistamisessa viestintä- ja verkkotekniikoiden paradigmaa muuttavien tekniikoiden avulla. Uskomme, että IoBNT-tutkimusala on vielä lapsenkengissään, mutta sen tuloksena syntyy tulevaisuuden yhteiskuntaa mullistava teknologia.

VIITTEET

[1] I. F. Akyildiz and J. M. Jornet, “The Internet of Nano-Things,” IEEE Wireless Commun., vol. 17, no. 6, Dec.2010, pp. 58–63.

[2] L. J. Kahl and D. Endy, “A Survey of Enabling Technologies in Synthetic Biology,” J. Biological Engineering, vol. 7, no. 1, May 2013, p. 13.

[3] I. F. Akyildiz, F. Brunetti, and C. Blazquez, “Nanonetworks: A New Communication Paradigm,” Computer Networks, vol. 52, no. 12, Aug. 2008, pp. 2260–79.

[4] D. L. Nelson and M. M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, W. H. Freeman, 2005, pp. 425–29.

[5] C. J. Myers, Engineering Genetic Circuits, Chapman & Hall/CRC, Mathematical and Computational Biology Series, 2009.

[6] D. Baker et al., Engineering Life: Building A Fab for Biology, Scientific American, vol. 294, no. 6, June 2006, pp. 44–51.

[7] F. Wu and C. Tan, “The Engineering of artificial Cellular Nanosystems Using Synthetic Biology Approaches,” WIREs Nanomedicine and Nanobiotech, vol. 6, no. 4, July/Aug. 2014.

[8] M. Pierobon,“A Systems-Theoretic Model of a Biological Circuit for Molecular Communication in Nanonetworks,” Nano Communication Networks (Elsevier), vol. 5, no. 1–2, Mar.–June 2014, pp. 25–34.

[9] M. Gregori and I. F. Akyildiz, “A New NanoNetwork Architecture using Flagellated Bacteria and Catalytic Nanomotors,” IEEE JSAC, vol. 28, no. 4, May 2010, pp. 612–19.

[10] M. Barros et al., “Transmission Protocols for Calcium-Signaling-based Molecular Communications in Deformable Cellular Tissue,” IEEE Trans. Nanotechnology, vol. 13, no. 4, May 2014, pp. 779–88.

[11] M. J. Moore, T. Suda, and K. Oiwa, “Molecular Communication: Modeling Noise Effects on Information Rate,” IEEE Trans. Nanobioscience, vol. 8, no. 2, June 2009, pp. 169–80.

[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.

BIOGRAFIAT

I. F. AKYILDIZ on Ken Byersin tietoliikennetekniikan professori Georgia Institute of Technologyn sähkö- ja tietotekniikan laitoksella Atlantassa, laajakaistaisen langattoman verkottumisen (BWN) laboratorion johtaja ja Georgia Techin tietoliikenneryhmän puheenjohtaja. Vuodesta 2013 hän on toiminut FiDiPro-professorina (Suomen Akatemian tukema Finland Distinguished Professor Program (FiDiPro)) Tampereen teknillisen yliopiston elektroniikan ja tietoliikennetekniikan laitoksella. Hän on IEEE Fellow (1996) ja ACM Fellow (1997). Hän on saanut lukuisia IEEE:n ja ACM:n palkintoja. Hänen tämänhetkiset tutkimusintressinsä ovat nanoverkot, TeraHertz-kaistan viestintäverkot, 5G-solujärjestelmät ja langattomat sensoriverkot.

M. PIEROBON väitteli tohtoriksi sähkö- ja tietotekniikan alalta Georgia Institute of Technologysta, Atlanta, GA, vuonna 2013 ja maisteriksi tietoliikennetekniikan alalta Politecnico di Milanosta, Milano, Italia, vuonna 2005. Tällä hetkellä hän toimii apulaisprofessorina Nebraskan Lincolnin yliopiston tietojenkäsittelytieteen ja -tekniikan laitoksella. Hän on IEEE Transactions on Communications -lehden toimittaja. Hän on IEEE:n, ACM:n ja ACS:n jäsen. Hänen nykyiset tutkimusintressinsä ovat molekulaarinen viestintäteoria nanoverkkoja varten, viestintätekniikka sovellettuna älykkäisiin lääkkeiden jakelujärjestelmiin ja tietoliikennetekniikka sovellettuna solujen väliseen viestintään.

S. BALASUBRAMANIAM on suorittanut kandidaatin (sähkö- ja elektroniikkatekniikka) ja tohtorin tutkinnot Queenslandin yliopistossa vuosina 1998 ja 2005 sekä maisterin tutkinnon (tietokone- ja tietoliikennetekniikka) Queenslandin teknillisessä yliopistossa vuonna 1999. Tällä hetkellä hän on vanhempi tutkija Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) elektroniikka- ja tietoliikennetekniikan laitoksen nanoviestintäkeskuksessa. Hän toimi ACM NANOCOM 2014:n ja IEEE MoNaCom 2011:n TPC:n yhteispuheenjohtajana. Hän on tällä hetkellä IEEE Internet of Things -lehden ja Elsevierin Nano Communication Networks -lehden päätoimittaja. Hänen tämänhetkisiin tutkimusintresseihinsä kuuluvat bioinspiroituneet viestintäverkot ja molekyylikommunikaatio.

Y. KOUCHERYAVY (evgeni.kucheryavy@tut.fi) on varsinainen professori ja laboratorionjohtaja Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) elektroniikan ja tietoliikennetekniikan laitoksella. Hän on väitellyt tohtoriksi (2004) TTY:llä. Hän on kirjoittanut lukuisia julkaisuja kehittyneiden langallisten ja langattomien verkkojen ja viestinnän alalla. Hänen tämänhetkisiin tutkimusintresseihinsä kuuluvat heterogeenisten langattomien viestintäverkkojen ja -järjestelmien eri näkökohdat, esineiden internet ja sen standardointi sekä nanoviestintä. Hän on IEEE Communications Magazinen apulaistoimittaja ja IEEE Communications Surveys and Tutorials -lehden toimittaja.

Alkuperäinen lähde on maksumuurin takana, arkistoitu kopio löytyy osoitteesta https://archive.ph/0cdwS