[논문 리뷰] A Survey of Molecular Communication in Cell Biology: Establishing a New Hierarchy for Interdisciplinary Applications

Dadi Bi, Apostolos Almpanis외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 31.

Molecular Communication and Nanonetworks참고 문헌 247인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 세포 생물학에서 분자 통신을 위한 혁신적인 다섯 단계 통신 계층을 제안하며, 통신 공학의 원리와 세포 생물학을 융합하여 다학제 간 격차를 메우는 데 목적이 있다. 물리적 신호 전파에서 애플리케이션 수준까지의 계층으로 생물학적 신호 전달 현상을 매핑함으로써, 분자 통신 시스템의 체계적 설계 및 분석을 가능하게 하며, 군집 감지, 신경 신호 전달, DNA 기반 통신에 대한 사례 연구를 통해 이를 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세포 생물학에서의 분자 통신을 위한 공통 프레임워크를 수립하여 생명과학과 통신 공학 간의 커unikation 격차를 해소하는 것.
• 생물학적 신호 전달 현상을 엔지니어링 개념에 매핑하는 체계적인 계층을 구축하여 다학제 협업을 향상시키는 것.
• 표준화되고 확장 가능한 프레임워크를 통해 분자 통신 시스템의 설계 및 분석을 가능하게 하는 것.
• 군집 감지, 신경 신호 전달, DNA 기반 통신에 대한 사례 연구를 통해 계층의 유용성을 입증하는 것.
• 각 수준 및 수준 간 통합에서 발생하는 열린 문제를 규명하여 향후 분자 통신 분야의 연구를 이끄는 것.

제안 방법

• 물리적 신호 전파, 물리적 및 화학적 신호 상호작용, 신호-데이터 인터페이스, 국소 데이터 추상화, 응용 수준으로 구성된 다섯 단계 계층을 제안한다.
• 확산, 수용체 결합, 유전자 조절과 같은 생물학적 현상을 계층의 특정 수준에 매핑한다.
• 군집 감지, 신경 신호 전달, DNA 기반 통신을 사례 연구로 적용하여 계층을 분석한다.
• 모odulation, 코딩, 신호 처리 등 기존의 통신 공학 개념을 활용하여 각 수준에서 생물학적 신호 전달을 해석하고 모델링한다.
• 실험적 검증 및 시스템 구현을 위한 으뜸 기술로 마이크로플루이딕스와 합성 생물학을 통합한다.
• 각 수준 및 수준 간 통합에서 발생하는 열린 문제를 규명하여 향후 연구를 이끄는 데 기여한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 표준화된 통신 계층을 수립하여 세포 생물학에서의 분자 통신을 통신 공학 원리와 통합할 수 있는가?
• RQ2 제안된 계층의 각 수준에서 핵심적인 생물학적 현상은 무엇이며, 이를 엔지니어링 개념과 어떻게 매핑할 수 있는가?
• RQ3 이 계층은 실제 생물학적 환경에서 분자 통신 시스템의 분석 및 설계에 어떻게 적용될 수 있는가?
• RQ4 다중 수준에 걸친 모델링, 제어 및 통합에서 발생하는 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 기존 생물학적 시스템(예: 군집 감지, 시냅스 전달, DNA 신호 전달)은 제안된 계층과 어떻게 부합하는가?

주요 결과

• 제안된 다섯 단계 계층은 복잡한 생물학적 신호 전달 과정을 엔지니어링 통신 개념에 성공적으로 매핑하여 체계적 분석 및 설계를 가능하게 한다.
• 사례 연구를 통해 군집 감지, 신경 신호 전달, DNA 기반 통신가 계층을 체계적으로 분석할 수 있으며, 이는 숨겨진 통신 메커니즘을 드러낸다.
• 계층은 모odulation, 코딩, 신호 처리와 같은 통신 공학 도구를 생물학적 시스템에 적용할 수 있게 하여 해석 가능성과 제어 능력을 향상시킨다.
• 프레임워크는 각 수준에서의 핵심 열린 문제를 규명하며, 이는 신호 전파 모델링, 수용체 동역학, 데이터 추상화, 시스템 통합을 포함한다.
• 합성 생물학과 마이크로플루이딕스의 통합은 마이크로스케일에서 분자 통신 시스템을 실현하고 테스트하는 데 필수적임을 입증한다.
• 계층은 생물학자와 통신 공학자 간의 협업을 촉진하는 공통 언어를 제공하여 다학제 혁신을 가속화한다.