分子通信系统及方法

申请号 CN200710149155.1 申请日 2007-09-04 公开(公告)号 CN101145858B 公开(公告)日 2011-08-31
申请人 株式会社NTT都科摩; 国立大学法人奈良先端科学技术大学院大学; 发明人 桧山聪; 森谷优贵; 须田达也; 菊池纯一; 佐佐木善浩;
摘要 本 发明 公开了分子通信系统及方法。该分子通信系统包括分子发射器,所述分子发射器被配置为发射信息分子,在所述信息分子中编码 指定 的信息;分子接收器,所述分子接收器被配置为接收所述信息分子;以及分子胶囊,所述分子胶囊被配置为将信息分子从所述分子发射器运送到所述分子接收器;所述分子发射器、所述分子接收器以及所述分子胶囊中的每一个都具有人造细胞膜,在所述人造细胞膜中嵌入了至少一种分子 开关 ,所述分子开关响应于外部输入 信号 从而依据所述外部 输入信号 的施加来控制所述分子发射器和所述分子胶囊之间的关联与分开以及所述分子胶囊和所述分子接收器之间的关联与分开。
权利要求

1.一种分子通信系统,所述分子通信系统包括:
分子发射器,所述分子发射器被配置为发射信息分子,在所述信息分子中编码指定的信息;
分子接收器,所述分子接收器被配置为接收所述信息分子;以及
分子胶囊,所述分子胶囊被配置为将所述信息分子从所述分子发射器运送到所述分子接收器;
其中,所述分子发射器、所述分子接收器以及所述分子胶囊中的每一个都具有人造细胞膜,在所述人造细胞膜中嵌入了至少一种分子开关,所述分子发射器的所述分子开关和所述分子胶囊的所述分子开关响应于第一外部输入信号来控制所述分子发射器和所述分子胶囊之间的关联与分开,以使所述分子发射器发送所述分子胶囊,所述分子胶囊的所述分子开关和所述分子接收器的分子开关响应于第二外部输入信号而控制所述分子胶囊和所述分子接收器之间的关联与分开,以允许所述分子接收器接收所述分子胶囊。
2.如权利要求1所述的分子通信系统,其中,在所述系统中包括两个或更多个所述分子接收器,各所述分子接收器具有其独有分子开关,并且所述分子胶囊具有与所述信息分子要被传递到的目标分子接收器对应的分子开关。
3.如权利要求1所述的分子通信系统,其中在所述系统中包括两个或更多个所述分子接收器,并且所述两个或更多个所述分子接收器被分组成一个或更多个组,属于同一组的各所述分子接收器具有组专用分子开关,并且所述分子胶囊具有与所述信息分子要被传递到的目标组的所述组专用开关对应的分子开关。
4.如权利要求1所述的分子通信系统,其中,在所述系统中包括两个或更多个所述分子接收器,所述两个或更多个所述分子接收器被分组成一个或更多个组,各所述分子接收器具有其独有分子开关,属于同一组的各所述分子接收器具有组专用分子开关,并且所述分子胶囊具有与所述信息分子要被传递到的目标分子接收器的所述独有分子开关对应的第一分子开关和/或与所述信息分子要被传递到的目标组的所述组专用开关对应的第二分子开关。
5.如权利要求1-4的任意一个所述的分子通信系统,其中所述分子发射器具有一个或更多个与嵌入在所述分子胶囊中的所述分子开关一样的所述分子开关。
6.如权利要求1所述的分子通信系统,其中,多种所述分子开关被嵌入在所述分子胶囊中,并且
其中,在所述系统中包括两个或更多个所述分子发射器,各所述分子发射器具有至少一种与嵌入在所述分子胶囊中的所述分子开关一样的所述分子开关。
7.如权利要求1所述的分子通信系统,其中所述分子接收器具有连接人造受体和酶的人造信令级联,所述分子胶囊将用作输入信号的信息分子运送到所述人造受体,其中,当在所述分子接收器处接收到的所述信息分子影响所述人造受体时,所述酶的活性改变。
8.一种分子通信方法,所述分子通信方法用于使用分子胶囊将在其中编码了指定信息的信息分子从分子发射器传递到分子接收器,所述方法包括以下步骤:
准备所述分子发射器、所述分子胶囊以及所述分子接收器,它们中的每一个都具有人造细胞膜,在所述人造细胞膜中嵌入了至少一种响应于外部输入信号的分子开关;
将所述信息分子封装入或固定到所述分子胶囊;
将第一外部输入信号施加到所述分子发射器的所述分子开关和与所述分子发射器相关联的所述分子胶囊的所述分子开关,以使所述分子发射器发射所述分子胶囊;以及将第二外部输入信号施加到所述分子接收器的所述分子开关和向所述分子接收器传递的所述分子胶囊的所述分子开关,以允许所述分子接收器接收所述分子胶囊。
9.如权利要求8所述的分子通信方法,所述分子通信方法还包括以下步骤:
准备多个所述分子接收器,各所述分子接收器配备有独有分子开关;
将与所述信息分子要被传递到的目标分子接收器的所述独有分子开关对应的分子开关嵌入所述分子胶囊中;
将所述第一外部输入信号施加到通过所述分子开关彼此相关联的所述分子发射器的所述分子开关和所述分子胶囊的所述分子开关,以允许所述分子发射器发射所述分子胶囊;以及
将所述第二外部输入信号施加于所述目标分子接收器的所述分子开关和向所述目标分子接收器传递的所述分子胶囊的所述分子开关,以允许所述目标分子接收器接收所述分子胶囊。
10.如权利要求8所述的分子通信方法,还包括以下步骤:
准备多个所述分子接收器并且将所述分子接收器分组成一个或更多个组;
将组专用分子开关分配到每个所述组,并且将所述组专用分子开关嵌入到属于同一组的各所述分子接收器中;
准备多个所述分子胶囊,各所述分子胶囊配备有与所述信息分子要被传递到的目标组的所述组专用分子开关对应的分子开关;
将所述第一外部输入信号施加到所述分子发射器的所述分子开关和与所述分子发射器相关联的所述分子胶囊的所述分子开关,以致使所述分子发射器发射所述分子胶囊;以及
将所述第二外部输入信号施加于所述目标组的所述分子接收器的所述组专用分子开关和向所述分子接收器传递的所述分子胶囊的所述分子开关,以允许所述目标组的所述分子接收器接收所述分子胶囊。
11.如权利要求8所述的分子通信方法,所述通信方法还包括以下步骤:
准备多个所述分子接收器,各所述分子接收器配备有独有分子开关;
将所述分子接收器分组为一个或更多个组,并将组专用分子开关分配到各所述组,属于同一组的各所述分子接收器配备有相同的组专用分子开关;
将与目标分子接收器的所述独有分子开关对应的第一分子开关和与目标组的所述组专用分子开关对应的第二分子开关嵌入到所述分子发射器中;
将与所述目标分子接收器的所述独有分子开关对应的第一分子开关和/或与所述目标组的至少一个所述组专用分子开关对应的第二分子开关嵌入到所述分子胶囊;
将所述第一外部输入信号施加到所述分子发射器的所述第一和/或第二分子开关,并施加到与所述分子发射器相关联的所述分子胶囊的所述第一和/或第二分子开关,以允许所述分子发射器发射所述分子胶囊;
将所述第二外部输入信号施加到所述目标分子接收器的所述独有分子开关和/或所述组专用分子开关以及所述分子胶囊的所述第一和/或第二分子开关,以允许所述分子接收器接收所述分子胶囊。
12.如权利要求8-11的任意一个所述的分子通信方法,所述分子通信方法还包括以下步骤:
将连接人造受体和酶的人造信令级联嵌入到所述分子接收器;
使用所述分子胶囊将用作输入信号的信息分子运送到所述人造受体;以及在所述分子接收器处接收到所述信息分子时改变所述酶的活性。
13.一种发射一个或更多个包含在分子胶囊中的信息分子到分子接收器的分子发射器,所述分子发射器包括:
人造细胞膜;以及
第一分子开关和第二分子开关中的至少一个,所述第一分子开关对应于所述信息分子要被传递到的目标分子接收器的独有分子开关,而所述第二分子开关对应于被分配到属于所述信息分子要被传递到的目标组的分子接收器的组专用分子开关,所述第一分子开关和/或所述第二分子开关被嵌入到所述人造细胞膜中,并与所述分子胶囊的分子开关相关联,所述分子发射器的分子开关响应于外部信号而使所述分子发射器发送所述分子胶囊。
14.一种分子接收器,在其中一个或更多个信息分子被发射的分子通信系统中使用,所述分子接收器包括:
人造细胞膜;
所述分子接收器所独有的独有分子开关和被分配给所述分子接收器所属的组的组专用分子开关中的至少一个,所述独有分子开关和/或所述组专用分子开关被嵌入到所述人造细胞膜中;以及
人造信令级联,所述人造信令级联连接在所述人造细胞膜上构造的人造受体和酶。
15.一种分子胶囊,用于在分子通信系统中的至少一个分子发射器和至少一个分子接收器之间运送信息分子,所述分子胶囊包括:
人造细胞膜,所述人造细胞膜运送在所述分子胶囊内或外的所述信息分子;以及第一分子开关和第二分子开关中的至少一个,所述第一分子开关对应于所述信息分子要被传递到的目标分子接收器的独有分子开关,而所述第二分子开关对应于所述目标分子接收器所属的目标组的组专用分子开关。

说明书全文

分子通信系统及方法

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及分子通信(molecular communication),并且更具体地,涉及使用分子胶囊在以脂双层膜构造的分子发射器和分子接收器之间传输信息的分子通信系统和方法。

背景技术

[0002] 近年以来并且仍在持续,已经对使用纳米级化学物质(分子)作为信息载体的分子通信系统进行了调查与研究。在分子通信系统的情况下,基于接收到了信息编码的分子而导致的生化反应来建立通信。例如,参见S.Hiyama等人的“Molecular Communication(分子通信)”Proceedingson NSTI Nanotechnology conference and Trade Show 2005,vol.3 pp.391-394,May,2005(NSTI纳米技术会议和博览会会刊2005,第3卷,391-394页,2005年5月)以及S.Hiyama等人的IEICE magazine(第89卷,第2期,162-166页,2006年2月)。
[0003] 与使用电磁波(电信号光信号)作为信息载体的现有通信技术不同,分子通信使用生化信号,以低能耗产生慢速通信。对于由于容量原因或环境原因不能使用电磁波的纳米级设备之间的通信应用以及对不是由电子组件组成并且不能被电子信号驱动的纳米机器(nanomachine)的控制来说,分子通信具有很高的潜能。
[0004] 分子通信系统一般包括分子发射器、分子接收器以及连接所述分子发射器和分子接收器的分子传播环境。从分子发射器传输的信息编码分子(可以被简单地称为“信息分子”)通过传播环境(或传输信道)传播到分子接收器。分子接收器捕获所传播的信息分子,解码所述信息,并且进行所述信息分子生化作用表现。为了保护信息分子免受传播环境中分解酶的损害或者免受温度、酸或(以PH值代表)或者光的影响,还提议将信息分子封装在分子胶囊中。例如参见Y.Moritani等人的“Molecular Communication among Nanomachines Using Vesicles(纳米机器之间使用疱囊的分子通信)”,Proceedings on NSTI Nanotechnologyconference and Trade Show 2006,vol.2 pp.7051-708,May,2006(NSTI纳米技术会议和博览会会刊2006,第2卷,705-708页,2006年5月)。
[0005] 一种用于分子通信系统的分子发射器和/或接收器的候选者是活细胞,因为活细胞具有分子发射器/接收器的基本功能。然而,活细胞的结构和行为是复杂的,并且人工设计和控制活细胞的功能性非常困难。

发明内容

[0006] 考虑到上述技术背景,本发明的实施方式旨在提供用于人工设计在分子通信系统中使用的组件的技术。本发明的实施方式还提供了用于人工控制信息分子的发射和接收以及在分子接收器处发生的生化反应的技术。简言之,本实施方式的目标是提供可很好地控制的人造分子通信系统及方法。
[0007] 为了实现该目的,人造细胞膜被用来形成分子发射器、分子接收器以及分子胶囊,在所述人造细胞膜中,至少一种分子开关响应于外部输入信号。例如,所述人造细胞膜是脂类双分子膜(lipid bilayer membrane)。例如,所述外部输入信号是光、温度、化学物质或溶剂特性(PH平)。通过控制所述外部输入信号的应用来控制所述分子胶囊和所述分子发射器的关联与分开,以及所述分子胶囊和所述分子接收器的关联与分开。
[0008] 具有连接人造受体和用作效应物的酶的功能结构的人造信令级联可以被提供给所述分子接收器,以依据所述信息分子的接收控制所述酶的活性的切换。这样的安排可以人工控制在所述分子接收器处发生的生化反应。
[0009] 在本发明的实施方式中,所提供的分子通信系统包括:分子发射器,所述分子发射器发射信息分子,在所述信息分子中编码指定的信息;分子接收器,所述分子接收器接收所述信息分子;以及分子胶囊,所述分子胶囊将信息分子从所述分子发射器运送到所述分子接收器。所述分子发射器、所述分子接收器以及所述分子胶囊由脂类双分子膜形成,在所述脂类双分子膜中提供了至少一种响应于外部输入信号的分子开关。
[0010] 利用该系统,通过应用所述外部输入信号,所述分子胶囊和所述分子发射器的关联与分开以及所述分子胶囊和所述分子接收器的关联与分开被控制,从而控制所述信息分子的发射和接收。
[0011] 在优选的实施例中,所述分子接收器具有从功能上连接人造受体和酶(用作效应物)的人造信令级联。在这种情况下,所述分子胶囊将用作输入信号的信息分子运送到所述人造受体。当在所述分子接收器处接收到所述信息分子时,所述信息分子影响所述人造受体,从而改变所述酶的活性。
[0012] 以这种方式,在通过人工制造分子发射器、分子接收器以及分子胶囊建立的所述分子通信系统中,所述信息分子的所述发射和所述接收可以由所述外部输入信号(例如光、温度、化学物质或pH环境)控制。此外,在收到所述信息分子时在所述分子接收器中发生的所述生化反应也可以被人工控制。附图说明
[0013] 当结合附图阅读以下详细描述时,将更清楚本发明的特征和优点,在附图中:
[0014] 图1是示出了根据本发明的实施方式的分子通信系统10的示意图;
[0015] 图2是示出了在分子发射器表面与所述分子发射器相关联的分子胶囊40A和40B的示意图;
[0016] 图3A是示出了从分子发射器20传输分子胶囊40A的实施例的示意图;
[0017] 图3B是示出了从分子发射器20传输分子胶囊40B的实施例的示意图;
[0018] 图3C是示出了同时从分子发射器20传输分子胶囊40A和40B的实施例的示意图;
[0019] 图4A是示出了在图1中示出的分子通信系统中在分子接收器30A处选择性接收分子胶囊40A的实施例的示意图;
[0020] 图4B是示出了在图1中示出的分子通信系统中在分子接收器30B处选择性接收分子胶囊40B的实施例的示意图;
[0021] 图5A是示出了在接收分子胶囊40A后将信息分子45A纳入分子接收器30A的示意图;以及
[0022] 图5B是示出了在接收分子胶囊40B后将信息分子45B纳入分子接收器30B的示意图。

具体实施方式

[0023] 现在结合附图描述本发明的优选实施方式。图1是示出了根据本发明的实施方式的分子通信系统的基本结构的示意图。分子通信系统10包括分子发射器20、分子接收器30A和30B、分子胶囊40A和40B、以及分子胶囊40A和40B在其中传播的分子传播环境50。
分子胶囊40A和40B分别携带信息分子45A和45B,或者将它们封装在内部,或者将它们保持在表面。
[0024] 分子发射器20由人造细胞膜21形成,一种或更多种响应于外部输入信号的分子开关(molecular switch)22被嵌入在所述人造细胞膜21中。在该实施例中,两种分子开关22A和22B被嵌入在人造细胞膜21中。为了方便,人造细胞膜21被称为大人造细胞膜。
[0025] 一般来说,可以人工产生各种大小的细胞膜,范围从数十纳米到数十微米,并且已知可以使用磷脂(活细胞膜的主要成分)或合成脂来产生人造细胞膜。例如,可以通过使用类似于石英陶瓷的键(siloxanebond)使脂的首基(headgroup)交键来产生具有高度结构稳定性的合成脂双层膜。已经通过动态光散射测量、差分扫描热量分析和扫描电子显微镜观察证明了该稳定性。更多关于这些方法的信息在P.Luigi等人的“Giant Vesicles(大疱囊)”(ISBN:0471979864,John Wiley&SonsInc.2000);K.Katagiri等 人 的“Preparation of Organic-Inorganic HybridVesicle“Cerasome”Derived from Aritificial Lipid with Alkoxysilyl Head(Chemistry letters 第 28卷 第 7期,第 661-662页,1999);以 及K.Katagiri等 人 的“Layered Paving of Vesicular Nanoparticles Formed with Cerasome asBioinspired Organic-Inorganic Hybrid”(Journal of American ChemicalSociety(美国化学协会期刊),124,第7892-7893页,2002)中公开。
[0026] 还已知响应于外部输入信号的分子开关可以被嵌入在人造细胞膜中,并且这种具有嵌入的分子开关的人造细胞膜可以响应于外部输入信号而互相关联或分离。详细信息在S.Iwamoto等人的“Gemini PeptideLipids with Ditopic Ion-Recognition Site.Preparation and Functions as anInducer for Assembling of Liposomal Membranes”,Tetrahedron,60,pp.9841-9847,2004”以及M.Otsuki等人的“Liposomalsorting onto Substrate through Ion Recognition by Gemini Peptide Lipids”(Chemistry letter,第35卷第2期,第206-207页,2006)中公开。在这种情况下,外部输入信号可以是光、温度、化学物质或PH环境。
[0027] 分子胶囊40A和40B也分别由人造细胞膜41A和41B形成,如在分子发射器20中一样,在所述人造细胞膜41A和41B中嵌入有响应于外部输入信号的一种或更多种分子开关42A和42B。为了方便,人造细胞膜41A和41B被称为小人造细胞膜。在该实施例中,使用的是仅嵌有分子开关42A的分子胶囊40A和仅嵌有分子开关42B的分子胶囊40B。小人造细胞膜41A和41B的形成、以及分子开关42A和42B到小人造细胞膜41A和41B中的嵌入与针对分子发射器20所描述的那些内容相同。
[0028] 分子胶囊40A和40B封装指定信息被编码在其中的信息分子45A和45B,所述信息分子45A和45B例如是离子或蛋白质。存在几种用于封装信息分子45的方法。最简单的方法是在人工产生分子胶囊40时将信息分子45放在分子胶囊40中。另选地,可以首先产生空的分子胶囊40,然后对分子胶囊40施加化学物质(例如抗菌肽)以在分子胶囊40中形成微孔,通过所述孔插入信息分子45。使用抗菌肽在分子胶囊中形成微孔例如在Y.Tamba等人的“Single Giant Unilamellar Vesicle Method RevealsEffect of Antimicrobial Peptide Magainin 2 on Membrane Permeability”(Biochemistry,第44卷,第15823-15833页,2005年)中进行了描述。
[0029] 为了将信息分子45固定到分子胶囊40,可以使用容易键联和分离的共价键,或者诸如静电相互作用、配价键、氢键结合或疏水作用的非共价键合相互作用。在这种情况下,在小人造细胞膜41中嵌入可以联接到信息分子45的分子,或者另选地,信息分子45直接结合到小人造分子膜41的表面。
[0030] 将信息分子45携带在其内部或在其表面的分子胶囊40可以被附着到分子发射器20,并且被选择性地从分子发射器20发射,所述选择发射利用了这样的性质:其中嵌入有特定分子开关的人造细胞膜可以响应于外部输入信号相互关联和分离。
[0031] 例如,如果分子开关22A和42A是具有光反应性偶氮苯基团(azobenzene group)作为隔离体的二价肽脂(gemini peptide lipid),则外部输入信号是光束。如果分子开关22B和42B是具有响应于化学物质的伪冠醚(pseudo crown ether)的二价肽脂,则外部输
2+
入信号是该化学物质。在这些情况下,通过向该系统施加紫外线(UV)和离子(Cu ),分子胶囊40A和40B可以与分子发射机20关联。
[0032] 图2是分子发射器20的示意图,在紫外线的照射和施加了铜离子的情况下,分子胶囊40A和40B与所述分子发射器20关联。当可见光(VIS)照射到该系统上时,仅分子胶囊40A可以与分子发射器20分离,如图3A所示。结果,仅仅分子胶囊40A被传输到分子传播环境50中,而分子胶囊40B仍与分子发射器20关联。
[0033] 另一方面,如果碱性金属离子(例如离子(K+))被施加到图2中所示出的系统时,则仅分子胶囊40B与分子发射器20的表面分离,如图3B所示。结果,分子胶囊40B从分子发射器20被传输到分子传播环境50中。
[0034] 此外,如果诸如乙二胺四乙酸(EDTA)的螯合剂被施加到图2中示出了的系统,则分子胶囊40A和40B两者都从分子发射器20分离,如图3C所示。结果,分子胶囊40A和40B从分子发射器20被传输到分子传播环境50中。
[0035] 在上面描述的实施例中,分子开关22和42对充当外部输入信号的光或化学物质作出反应。然而,该发明并不限于这些实施例。例如,可以使用对温度或PH水平作出反应的分子开关。如果使用温度改变作为外部输入信号,则可以使用双分子膜的凝胶状态和液晶状态之间的相变温差。在这种情况下,通过将系统温度控制在从0℃到100℃的范围内,可以以可逆的方式进行分子胶囊40与分子发射器20的关联和分离。类似地,如果使用PH水平作为外部输入信号,则可以通过将系统PH水平控制在从PH3到PH9的范围内来以可逆的方式进行分子胶囊40与分子发射器20的关联和分离。以这种方式,可以从分子发射器20选择性地发送所需的分子胶囊40。
[0036] 回到图1,从分子发射器20发射的分子胶囊40在以溶液形成的分子传播环境50中扩散并通过环境50传播到分子接收器30,同时将信息分子45携带在其中或在其表面。分子胶囊40的传播不限于扩散,可以在分子发射器20和分子接收器30之间形成液体流(信道)来传送分子胶囊40。
[0037] 分子接收器30也由人造分子膜31形成,一种或更多种响应于外部输入信号的分子开关32被嵌入在所述人造分子膜31中。在图1所示的实施例中,示出了嵌入有分子开关32A的分子接收器30A和嵌入有分子开关32B的分子接收器30B。人造细胞膜的形成以及响应于外部输入信号的分子开关的嵌入与针对分子发射器20所描述的那些内容相同。在各分子接收器30A和30B中,在人造细胞壁31的内表面处提供具有用于连接人造受体33和充当效应子的酶34的功能结构的人造信令级联,所述信令级联类似于G蛋白质耦合的受体。已知以功能方式连接人造受体33和酶34的人造信令级联可以被构造在人造细胞膜31上,并且该技术的细节例如在J.Kikuchi等人的“An Artificial Signal Transduction SystemControl of Lactate Dehydrogenase Activity Performed by an ArtificialCell-surface Receptor”(Chemistry Letters,第28卷第3期,第253-254页,1999年)和W.-J.Tian等人的“Switching of Enzymatic Activity throughFunctional Connection of Molecular Recognition on Lipid BilayerMembranes”(Supramolecular Chemistry,第17卷第113-119页,2005年)中描述。
[0038] 携带信息分子45A和45B并且已经传播通过分子传播环境50的分子胶囊40A和40B在分子接收器30A和30B处分别被选择性接收,所述接收操作利用这样的性质:嵌入有特定分子开关的人造细胞膜响应于外部输入信号而互相关联。
[0039] 图4A示出了分子胶囊40A在分子接收器30A处的选择性接收的实施例。在该实施例中,分子开关32A和42A是二价肽脂,其具有作为隔离体的响应于光的光反应性偶氮苯基团,而分子开关32B和42B是二价肽脂,其具有作为隔离体的响应于化学物质的伪冠醚。通过以紫外线(充当外部输入信号)照射该系统,仅有分子胶囊40A在分子接收器30A的表面处被捕获。
[0040] 图4B示出了分子胶囊40B在分子接收器30B处的选择性接收的实施例。如果在2+
该系统中采用与在图4A中的相同的分子开关,并且如果向该系统施加了铜离子(Cu ),则仅有分子胶囊40B在分子接收器30B的表面处被捕获。
[0041] 应该注意到,可以使用任何种类的分子开关,只要它们可以响应于外部输入信号而互相关联和分离。相应地,可以采用上面描述的实施例以外的对诸如温度或PH水平的外部输入信号具有反应性的任意分子开关。
[0042] 因此,通过使用其中嵌入有分子开关的人造细胞膜(例如包括脂双层膜)来构形分子发射器20、分子接收器30和分子胶囊40,可以分别在分子发射器20和分子接收器30处实现分子胶囊40的选择性发射和接收,其中所述分子胶囊40携带封装在其中或固定到其表面的信息分子45。结果,可以提供受良好控制的分子通信系统。
[0043] 在上面描述的实施例中,提供了两个分子接收器30A和30B来对应于分子发射器20,并且分子接收器30A具有单种种类的分子开关32A而分子接收器30B具有单种种类的分子开关32B。这种配置允许在分子通信系统10中进行单播通信,其中利用嵌入有分子开关42A和42B的相关联的分子胶囊40A和40B将从分子发射器20发射的信息分子45A和
45B分别转发到对应的分子接收器30A和30B。本发明并不限于这样的单播通信,而是同样可应用于信息分子的多播和/或广播。
[0044] 在多播通信中,一定种类的分子开关被嵌入在属于同一组的分子接收器30中,而不是在各分子接收器中嵌入独有的分子开关。在广播通信中,一定种类的分子开关被嵌入在系统中使用的所有分子接收器中。为了在该系统中实现单播、多播和广播,向各分子接收器30提供三种类别的分子开关:(1)各分子接收器所独有的分子开关,(2)在同一组中共用的、组专用的分子开关,以及(3)用于系统中所有分子接收器的公共分子开关。
[0045] 系统还可以被这样设计,即,使用其中嵌入有多种分子开关的分子胶囊40,取决于不同的外部输入信号,将分子胶囊40传递到不同的分子接收器30。例如,分子接收器R1、R2和R3分别具有独有的分子开关S1、S2和S3,并且所有分子开关S1、S2和S3被嵌入在一个分子胶囊40中。如果用于控制分子开关S1的关联和分离的信号从外部被输入系统,则在其中或其表面携带有信息分子45的分子胶囊40被传递到分子接收器R1。类似地,如果从外部输入了用于控制分子开关S2的关联和分离的信号,则分子胶囊40被传递到分子接收器R2。一旦接收到用于控制分子开关S3的外部输入信号,分子胶囊40被传递到分子接收器R3。
[0046] 分子胶囊40可以在单播、多播和广播之间共用。在这种情况下,不同类别的分子开关42,即特定分子接收器独有的第一分子开关、用于属于特定组的多个分子接收器的第二分子开关,以及在系统中的所有分子接收器之间共用的第三分子开关被嵌入在分子胶囊40中。尽管在上面描述的实施例中,在系统中使用单个分子发射器20,但是可以在系统中包括多个分子发射器20。
[0047] 图5A和图5B的示意图示出了在接收到分子胶囊40A和40B后,如何将信息分子45A和45B纳入各自的分子接收器30A和30B中。在分子胶囊40在分子接收器30处被捕获后,被封装在分子胶囊40中或被固定到分子胶囊40的表面的信息分子45被纳入分子接收器30中。一种用于将信息分子45纳入到分子接收器30中的方法是使用DNA链作为融合诱导体(fusion inducer)。在这种情况下,分子胶囊40融合到分子接收器30中,从而信息分子45被纳入到分子接收器30中。
[0048] 使用DNA作为融合诱导体的人造细胞膜的融合例如在K.Matsui等人的“Cerasome as an Infusible,Cell-Friendly,and Serum-CompatibleTransfection Agent in a Viral Size”(Journal of American Chemical Society(美国化学协会学报),第128期,第3114-3115页,2006年)中公开。
[0049] 当分子接收器30由具有被类似于石英陶瓷的硅氧键所交键的首基的高度稳定的合成脂双层膜脂形成时,施加磷脂来在分子接收器30的表面上产生畴结构(脂质筏)。在这种情况下,分子胶囊40和分子接收器30之间的融合通过融合诱导体在畴结构上被引起。
[0050] 如图5A中所示出了的,一旦将信息分子45A纳入到分子接收器30A中,构造在膜31A的内表面上的人造信令级联36A被开启。类似地,如图5B中所示出了的,将信息分子
45B纳入到分子接收器30B中的操作开启了构造在膜31B的内表面上的人造信令级联36B。
人造信令级联36在功能上使人造受体33和充当效应子的酶34连接,如上面已经描述的,所述信令级联类似于G蛋白质耦合的受体。酶34的信号放大可以通过使用信息分子45作为用于改变人造受体33的媒介物(mediator)识别能的触发来进行控制。更准确地,通过将具有专用于人造受体33的识别能力的离子选择为信息分子45、通过将对于人造受体
33和酶34都具有识别能力的金属离子(例如铜离子)选择为媒介物、以及通过从分子上设计人造信令级联36的成分从而使人造受体33的媒介物识别能力随着输入信号的出现而大大改变,酶34的信号放大可以被信息分子45控制。
[0051] 以这种方式,被带入分子接收器30中的信息分子45用作输入信号来激发在人造受体33和酶34之间的分子接收器30的膜的内表面上构造的人造信令级联,以对信息进行解码并进行信息分子生化作用表现。
[0052] 在分子接收器30的膜的内表面上构造的人造信令级联36的数目不限于一个;通过固定多个人造受体33和酶34可以提供两个或更多个人造信令级联,并由信息分子45来控制切换。此外,替代分子接收器30的人造细胞膜31的内表面,可以在分子接收器30的人造细胞膜31的外表面上构造人造信令级联36。在这种情况下,系统被这样设计,即,当分子胶囊40和分子接收器30相互关联时,分子胶囊40和分子接收器30之间的引力增强,并且分子胶囊40和分子接收器30具有适当的膜强度。一旦在分子接收器30处捕获了分子胶囊40,则分子胶囊40被变形并破裂以使信息分子45离开分子胶囊40。另选地,如上面所引用的(Y.Tamba等人,Biochemistry,2005,第44卷)关于微孔的形成的公开中所描述的,抗菌肽溶液被应用于分子胶囊40以在其中形成微孔来导致信息分子45从分子胶囊40中渗出。一旦渗出,信息分子45用作构造在分子接收器30的膜的外表面上的人造信令级联36的输入信号。如果信息分子45被固定到分子胶囊40的外表面,并且如果人造信令级联36被构造在分子接收器30的外表面上,则依据分子胶囊40和分子接收器30之间的关联切换人造信令级联36。
[0053] 所以,在分子接收器30中发生的生化反应可以通过在分子通信系统和方法中接收信息分子45来人工控制。
[0054] 尽管在示出的实施方式中,分子发射器20和分子接收器30由球形的人造细胞膜21和31形成,但是分子发射器20和分子接收器30的形状不限于球形,而可以是任意形状。
例如,可以使用具有U形横截面并具有用脂类双分子膜覆盖的开口的容器。
[0055] 本国际申请要求对2006年9月13日递交的日本专利申请号为2006-248444的专利文献的优先权,这里通过引用并入该申请的全部内容。
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