[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种用于细胞生物学中分子通信的新型五级通信层级结构，整合了通信工程与细胞生物学的原理，弥合了跨学科的鸿沟。通过将生物信号现象映射到从物理信号传播到应用的各个层级，该框架实现了分子通信系统的系统化设计与分析，案例研究展示了其在群体感应、神经元信号传导和基于DNA的通信中的应用。

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.

研究动机与目标

• 通过为细胞生物学中的分子通信建立一个共同框架，解决生命科学与通信工程之间的沟通鸿沟。
• 创建一个结构化的层级结构，将生物信号现象映射到工程概念，以促进跨学科合作。
• 通过标准化、可扩展的框架，实现分子通信系统的设计与分析。
• 通过群体感应、神经元信号传导和基于DNA的通信等案例研究，展示该层级结构的实用性。
• 识别各层级及跨层级的开放性问题，以指导未来分子通信研究。

提出的方法

• 提出五级层级结构：物理信号传播、物理与化学信号相互作用、信号-数据接口、本地数据抽象和应用层级。
• 将生物现象（如扩散、受体结合和基因调控）映射到层级的特定层级。
• 将该层级结构应用于分析群体感应、神经元信号传导和基于DNA的通信作为案例研究。
• 运用既有的通信工程概念（如调制、编码、信号处理）来解释和建模各层级的生物信号传导。
• 整合微流体技术和合成生物学作为实现实验验证与系统构建的使能技术。
• 识别各层级及跨层级集成中的开放性问题，以指导未来研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何建立一个标准化的通信层级结构，以统一细胞生物学中的分子通信与通信工程原理？
• RQ2 所提出的层级结构中各层级的关键生物现象是什么？它们如何对应于工程概念？
• RQ3 如何将该层级结构应用于真实生物情境中分子通信系统的设计与分析？
• RQ4 在建模、控制和跨多层级集成分子通信方面，存在哪些主要挑战？
• RQ5 现有生物系统（如群体感应、突触传递、DNA信号传导）如何与所提出的层级结构对齐？

主要发现

• 所提出的五级层级结构成功地将复杂的生物信号传导过程映射到工程通信概念，实现了系统化的分析与设计。
• 案例研究证明，群体感应、神经元信号传导和基于DNA的通信可借助该层级结构进行系统化分析，揭示了其潜在的通信机制。
• 该层级结构使得通信工程工具（如调制、编码和信号处理）能够应用于生物系统，提升了可解释性与控制能力。
• 该框架识别出各层级的关键开放性问题，包括信号传播建模、受体动力学、数据抽象和系统集成。
• 合成生物学与微流体技术的整合被证明是实现在微尺度上实现和测试分子通信系统的关键。
• 该层级结构提供了一种共同语言，促进了生物学家与通信工程师之间的协作，加速了跨学科的创新。