[論文レビュー] A Survey of Molecular Communication in Cell Biology: Establishing a New Hierarchy for Interdisciplinary Applications

Dadi Bi, Apostolos Almpanis+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2020

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 247被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、細胞生物学における分子通信のための新規な五段階通信階層を提案する。通信工学と細胞生物学の原則を統合することで、学際的ギャップを埋めることを目的としている。物理的信号伝搬から応用に至るレベルに生物学的シグナリング現象をマッピングすることにより、システム的な分子通信システムの設計および解析が可能となり、クォーラムセンシング、神経伝達、DNAベースの通信を対象とした事例研究によって実証されている。

ABSTRACT

Molecular communication (MC) engineering is inspired by the use of chemical signals as information carriers in cell biology. The biological nature of chemical signaling makes MC a promising methodology for interdisciplinary applications requiring communication between cells and other microscale devices. However, since the life sciences and communications engineering fields have distinct approaches to formulating and solving research problems, the mismatch between them can hinder the translation of research results and impede the development and implementation of interdisciplinary solutions. To bridge this gap, this survey proposes a novel communication hierarchy for MC signaling in cell biology and maps phenomena, contributions, and problems to the hierarchy. The hierarchy includes: 1) the Physical Signal Propagation level; 2) the Physical and Chemical Signal Interaction level; 3) the Signal-Data Interface level; 4) the Local Data Abstraction level; and 5) the Application level. To further demonstrate the proposed hierarchy, it is applied to case studies on quorum sensing, neuronal signaling, and communication via DNA. Finally, several open problems are identified for each level and the integration of multiple levels. The proposed hierarchy provides language for communication engineers to study and interface with biological systems, and also helps biologists to understand how communications engineering concepts can be exploited to interpret, control, and manipulate signaling in cell biology.

研究の動機と目的

• 生命科学と通信工学の間の通信ギャップを解消するために、細胞生物学における分子通信の共通フレームワークを確立すること。
• 生物学的シグナリング現象を工学的コンセプトにマッピングする構造的階層を構築し、より良い学際的連携を実現すること。
• 標準化されスケーラブルなフレームワークを通じて、分子通信システムの設計および解析を可能にすること。
• クォーラムセンシング、神経伝達、DNAベースの通信を対象とした事例研究を通じて、階層の実用性を示すこと。
• 各レベルおよびレベル間の統合において、今後の分子通信分野の研究を導くための未解決問題を同定すること。

提案手法

• 物理的信号伝搬、物理的および化学的信号相互作用、信号-データインターフェース、局所的データ抽象化、応用の5段階の階層を提案する。
• 拡散、受容体結合、遺伝子調節などの生物学的現象を、階層の特定のレベルにマッピングする。
• クォーラムセンシング、神経伝達、DNAベースの通信を事例研究として、階層を適用して分析する。
• 従来の通信工学の概念（例：変復調、符号化、信号処理）を用いて、各レベルにおける生物学的シグナリングを解釈およびモデル化する。
• マイクロフルイディクスおよび合成生物学を、実験的検証およびシステム実装の支援技術として統合する。
• 各レベルおよびレベル間統合における未解決問題を同定し、今後の研究をガイドする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子通信の標準化された通信階層をどのように確立することで、細胞生物学における分子通信と通信工学の原則を統合できるか？
• RQ2 提案された階層の各レベルに現れる主要な生物学的現象は何か。それらは工学的コンセプトとどのように対応するか？
• RQ3 この階層をどのように応用して、実際の生物学的文脈における分子通信システムの分析および設計が可能になるか？
• RQ4 複数のレベルにわたるモデリング、制御、統合における主な挑戦は何か？
• RQ5 既存の生物学的システム（例：クォーラムセンシング、シナプス伝達、DNAシグナリング）は、提案された階層とどのように整合するか？

主な発見

• 提案された五段階階層は、複雑な生物学的シグナリングプロセスを工学的通信コンセプトに効果的にマッピングできており、体系的な分析および設計を可能にしている。
• 事例研究により、クォーラムセンシング、神経伝達、DNAベースの通信が階層を用いて体系的に分析可能であることが示され、背後にある通信メカニズムが明らかになった。
• 階層により、変復調、符号化、信号処理などの通信工学的手法を生物学的システムに適用できるようになり、解釈可能性および制御性が向上した。
• フレームワークにより、信号伝搬モデリング、受容体キネティクス、データ抽象化、システム統合といった、各レベルにおける重要な未解決問題が同定された。
• 合成生物学およびマイクロフルイディクスの統合が、マイクロスケールにおける分子通信システムの実現および検証に不可欠であることが示された。
• 階層は生物学者と通信工学研究者との間で共通の言語を提供し、学際的イノベーションを加速する。