Les machines informatiques biologiques, telles que les micro et nano-implants capables de collecter des informations importantes à l’intérieur du corps humain, transforment la médecine. Pourtant, les mettre en réseau pour communiquer s’est avéré difficile. Aujourd'hui, une équipe mondiale, comprenant des chercheurs de l'EPFL, a développé un protocole permettant de créer un réseau moléculaire avec plusieurs transmetteurs.

Il y a d’abord eu l’Internet des objets (IoT) et aujourd’hui, à l’interface de l’informatique et de la biologie, l’Internet des bio-nano objets (IoBNT) promet de révolutionner la médecine et les soins de santé. L'IoBNT fait référence à des biocapteurs qui collectent et traitent des données, à des laboratoires sur puce à l'échelle nanométrique qui effectuent des tests médicaux à l'intérieur du corps, à l'utilisation de bactéries pour concevoir des nanomachines biologiques capables de détecter des agents pathogènes et à des nanorobots qui nagent. à travers la circulation sanguine pour effectuer une administration et un traitement ciblés des médicaments.

"Dans l'ensemble, il s'agit d'un domaine de recherche très, très passionnant", explique le professeur assistant Haitham Al Hassanieh, directeur du Laboratoire de systèmes de détection et de mise en réseau de la Faculté d'informatique et de communication (IC) de l'EPFL. "Avec les progrès de la bio-ingénierie, de la biologie synthétique et de la nanotechnologie, l'idée est que les nano-biocapteurs vont révolutionner la médecine car ils peuvent atteindre des endroits et faire des choses que les appareils actuels ou les implants plus gros ne peuvent pas faire", a-t-il poursuivi.

Pourtant, aussi passionnant que soit ce domaine de recherche de pointe, il reste un défi énorme et fondamental :lorsque vous avez un nano-robot dans le corps de quelqu'un, comment allez-vous communiquer avec lui ? Les techniques traditionnelles, comme les radios sans fil, fonctionnent bien pour les gros implants tels que les stimulateurs cardiaques ou les défibrillateurs, mais ne peuvent pas être adaptées aux micro et nanodimensions, et les signaux sans fil ne pénètrent pas dans les fluides corporels.

Entrez dans ce qu’on appelle la communication biomoléculaire, inspirée par le corps lui-même. Il n'utilise pas d'ondes électromagnétiques mais des molécules biologiques à la fois comme vecteurs et comme informations, imitant les mécanismes de communication existants en biologie. Dans sa forme la plus simple, il code les bits « 1 » et « 0 » en libérant ou en ne libérant pas de particules moléculaires dans la circulation sanguine, de la même manière que le ON-OFF-Keying dans les réseaux sans fil.

"La communication biomoléculaire est apparue comme le paradigme le plus approprié pour la mise en réseau de nano-implants. C'est une idée incroyable que nous puissions envoyer des données en les codant dans des molécules qui passent ensuite par la circulation sanguine et nous pouvons communiquer avec elles, les guidant vers où aller et quand libérer leurs traitements, tout comme les hormones", a déclaré Al Hassanieh.

Récemment, Al Hassanieh et son équipe, en collaboration avec des chercheurs aux États-Unis, ont présenté leur article « Towards Practical and Scalable Molecular Networks » à l'ACM SIGCOMM 2023, une conférence annuelle sur la communication de données, dans laquelle ils ont présenté leur MoMA (Molecular Multiple Access) qui permet un réseau moléculaire avec plusieurs émetteurs.

"La plupart des recherches existantes sont très théoriques et ne fonctionnent pas parce que les théories n'ont pas pris en compte la biologie", a expliqué Al Hassanieh. "Par exemple, chaque fois que le cœur pompe, il y a une instabilité et le corps change son canal de communication interne. La plupart des théories existantes supposent que le canal par lequel vous envoyez les molécules est très stable et ne change pas. En réalité, il change très rapidement."

Avec le MoMA, l’équipe a introduit des schémas de détection de paquets, d’estimation de canaux et de codage/décodage qui exploitent les propriétés uniques des réseaux moléculaires pour relever les défis existants. Ils ont évalué le protocole sur un banc d'essai expérimental synthétique (des vaisseaux sanguins émulés avec des tubes et des pompes), démontrant qu'il peut évoluer jusqu'à quatre émetteurs tout en surpassant considérablement la technologie de pointe.

Les chercheurs reconnaissent que leur banc d'essai synthétique actuel ne peut pas saisir tous les défis associés à la conception de protocoles pour les réseaux moléculaires et que des tests in vivo de micro-implants et de micro-fluides dans des laboratoires humides sont nécessaires pour réaliser des réseaux moléculaires pratiques et déployables. Cependant, ils pensent avoir fait les premiers pas vers cette vision et que leurs connaissances en matière de conception de réseaux moléculaires perdureront, car les modèles sous-jacents de diffusion et de dynamique des fluides dans leur banc d'essai sont fondamentaux pour la communication moléculaire.

"Je suis très enthousiasmé par ce domaine car c'est une nouvelle forme de communication. Nous sommes un groupe de systèmes, nous aimons construire des choses et les faire fonctionner. Il a fallu du temps pour développer l'expertise que nous avons en matière de communication biomoléculaire mais maintenant nous en sommes au stade où nous trouvons des collaborateurs et pouvons faire avancer les choses. Les gens pensent que c'est de la science-fiction, mais cela évolue rapidement vers une réalité scientifique", a conclu Al Hassanieh.

Plus d'informations : Jiaming Wang et al, Vers des réseaux moléculaires pratiques et évolutifs, Actes de la conférence ACM SIGCOMM 2023 (2023). DOI :10.1145/3603269.3604881

Fourni par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne