CN101031501A - 分子通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分子通信系统，该系统可将编码有规定信息的信息分子控制性良好地传送到目的地。本发明的分子通信系统包括：送出编码有规定信息的信息分子的分子发送机；接收上述信息分子的分子接收机；以及连接上述分子发送机和分子接收机之间的分子传输路径，上述分子传输路径包含由高分子材料形成的传送路径和沿该传送路径在规定的方向上巡回的载体分子，从上述分子发送机送出的信息分子搭载于上述载体分子，输送到上述分子接收机。

Description

分子通信系统

技术领域

本发明涉及分子通信系统，具体地说，涉及可控制性良好地经由人为设计的传输通道在分子发送机和分子接收机之间传送信息分子的分子通信系统。

背景技术

分子通信源于对经由化学物质(分子)的细胞内/细胞间的信号传送机制的观察。在分子通信中，将信息被编码的纳米级的分子用作信息传送载体，以创建基于由分子的接受(接收)所发生的生化反应的新通信范例为目标。

与以电或光信号这样的电磁波作为信息传送载体的现有的通信技术不同，分子通信的特征是使用生化信号，以低速且非常少的能量消耗量进行。期待这样的分子通信可应用于由于能力、环境上的理由而无法使用电磁波的纳米级装置间的通信，或不能用电子设备构成、驱动的纳米设备的动作控制等。

作为生物体内的信号传送机制的一种，有被称为驱动蛋白的蛋白质马达分子所进行的物质的输送机构。驱动蛋白为全长约80nm左右的大小，但在生物体内沿着被称为微管的纤维状的轨道分子，运输尺寸是自身大小的几倍的物质。作为利用这样的生物体现象的纳米输送系统，报告了搭载有人工加工物(微珠)的驱动蛋白在固定于基板上的微管(轨道)上沿一个方向移动的系统(例如，参照非专利文献1)。另外，也报告了在由光刻技术形成的直线状的槽中固定驱动蛋白，微管在所固定的驱动蛋白上沿一个方向移动的系统(例如，参照非专利文献2)。

但是，这些文献停留在报告确认了生物体分子沿人工的一个方向移动的成功例上，完全未涉及具体的应用例。

另一方面，提出了将生物体高分子用作通信介质或记录介质的信息通信系统(例如，参照专利文献1)。在该系统中，在发送侧子系统中，将应发送(或应写入)数据变换成排列信息或结合样式信息，将所变换的排列信息或结合样式信息与生物体高分子材料合成，生成合成高分子。

在接收侧子系统接收(或读出)合成高分子时，将所编码的排列/结合样式信息从合成高分子中取出，并将其恢复成接收数据或读出数据后输出。

在该文献中，从发送侧子系统向接收侧子系统发送合成高分子时，对于经由怎样的传送路径(通道)传送到接收侧，完全没有提及。

非专利文献1：R.Yokokawa，et al.，″Hybrid Nanotransport System byBiomolecular Linear Motors，″Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.13，N0.4，pp.612-619，Aug.2004

非专利文献2：Y.Hiratsuka，et al.，″Controlling the Direction ofKinesin-driven Microtubule Movements along Microlithographic Tracks，″Biophysical Journal，Vol.81，No.3，pp.1555-1561，Sep.2001

专利文献1：日本特开2003-101485

发明内容

根据上述背景，本发明的课题是将经由分子的生物界的信号传送机制通过人为的设计，重新构筑为可自律动作的通信系统。

另外，本发明的课题是通过可控制的传输通道进行具有指向性的分子通信系统的构筑。

为了解决上述课题，在本发明的第1方面中，在分子发送机和分子接收机之间形成人工形成的分子传输路径。

具体地说，第1方面的分子通信系统包括：

送出编码有规定信息的信息分子的分子发送机；

接收上述信息分子的分子接收机；以及

连接上述分子发送机和分子接收机之间的分子传输路径，

上述分子传输路径包含由高分子材料形成的传送路径和沿该传送路径在规定的方向上巡回的载体分子，从上述分子发送机送出的信息分子搭载于上述载体分子，输送到上述分子接收机。

在这样构成的分子通信系统中，可沿人为作成的传送路径，控制性良好地将信息分子传送到目的地。

例如，传送路径由轨道分子形成，采用马达分子作为载体分子。该情况下，信息分子搭载于马达分子上，输送到分子接收机。

或者，传送路径由马达分子形成，采用轨道分子作为载体分子。该情况下，信息分子搭载于轨道分子上，输送到分子接收机。

在本发明的第2方面中，在分子发送机中，生成用于识别成为信息分子的目的地的分子接收机的标识分子，将标识分子和信息分子向分子传输路径送出。

具体地说，第2方面的分子通信系统包括：

送出编码有规定信息的信息分子的分子发送机；

接收上述信息分子的分子接收机；以及

连接上述分子发送机和分子接收机之间的分子传输路径，

上述分子发送机包括：

对规定的分子进行规定信息的编码，以生成信息分子的分子编码部；

生成用于识别作为上述信息分子的目的地的上述分子接收机的标识分子的标识分子生成部；以及

将上述信息分子及标识分子向上述分子传输路径送出的分子释放部。

在这样构成的分子通信系统中，可高概率向目的地传送信息分子，通过将多个编码有同一信息的信息分子送出，可以可靠地向目的地传送信息。

作为一个结构例，分子发送机包括：

具有标识分子生成部及释放标识分子的第1分子释放部的第1分子发送装置；以及

具有分子编码部及释放信息分子的第2分子释放部的第2分子发送装置，

第2分子发送装置还具有检测来自第1分子发送装置的标识分子的释放的标识分子检测部，第2分子释放部根据标识分子的检测，释放信息分子。

作为另一个结构例，分子发送机包括：

具有标识分子生成部及释放标识分子的第1分子释放部的第1分子发送装置；

具有分子编码部及释放信息分子的第2分子释放部的第2分子发送装置，

第2分子发送装置还具有在释放信息分子时，向第1分子发送装置指示释放标识分子的标识分子释放指示部，第1分子释放部根据上述指示，释放上述标识分子。

可提供控制性良好地进行经由分子的信息传送的分子通信系统。

附图说明

图1是用于说明本发明第1实施方式的分子通信系统的概略图。

图2是表示图1的分子通信系统所采用的分子发送机的结构例的图。

图3是表示图1的分子通信系统所采用的分子接收机的结构例的图。

图4是表示图1的分子通信系统中传送的信息分子的数据结构例的图。

图5是表示仅对图4的信息分子的数据部进行保护涂敷时的例子的图。

图6是表示图5的信息分子与载体分子结合传送时的结构例的图。

图7是用于说明本发明第2实施方式的分子通信系统的概略图。

图8是表示图7的分子通信系统所采用的分子发送机的结构例1的图。

图9是表示图7的分子通信系统所采用的分子发送机的结构例2的图。

图10是表示图7的分子通信系统所采用的分子接收机的结构例的图。

图11是表示图7的分子通信系统所采用的分子发送机的结构例3的图。

图12是表示图7的分子通信系统所采用的分子发送机的结构例4的图。

符号的说明

1、2分子通信系统

10、50分子传输路径

11基板

15、55信息分子

16马达分子

17轨道分子

18LDH

19载体分子

20、60分子发送机

21分子供给部

22分子生成部

23分子供给端口

24分子贮藏部

25、65分子信息编码部

26编码信息保护部

27、67分子释放部

30，70分子接收机

31分子接收部

32保护机构解除部

33，72分子信息解码部

34分子处理部

35贮藏部

36分解部

37排出部

56标识分子

61标识分子生成部

62信息分子生成部

64标识分子存储部

66信息分子存储部

68标识分子检测部

69标识分子释放指示部

71标识分子接收部

具体实施方式

以下，参照图面，说明本发明的优选实施方式。

首先，参照图1～图6，说明本发明第1实施方式的分子通信系统。在第1实施方式中，形成采用马达分子和轨道分子的人工通道，构筑分子通信系统。

图1是用于说明第1实施方式的分子通信系统1的概念的概略图。分子通信系统1包含分子发送机20、分子接收机30以及连接它们的分子传输路径10。在图1(a)的结构例中，在分子发送机20和分子接收机30之间配置轨道分子17，形成分子传输路径10A，将信息分子15搭载于马达分子16上，沿轨道将信息分子15输送到分子接收机30。

作为轨道分子17，例如采用微管。马达分子16根据其移动方向，采用驱动蛋白或动力蛋白。马达分子16移动的方向由微管17的极性确定，一般认为，驱动蛋白向微管17的正极(+)端移动，动力蛋白向负极(-)端移动。

要想用轨道分子17形成传输路径10A，必须在玻璃基板11上固定微管17。由于微管17对玻璃表面的亲和性低，因此采用氨基酸(PLL：Poly-L-Lysine)作为粘接剂。例如，在玻璃基板11上，配置形成有构成传送路径的狭缝开口的树脂薄膜(未图示)，在狭缝内注入PLL。然后，洗去多余的PLL，在除去树脂薄膜的基板11上导入轨道分子(微管溶液)后，仅在涂敷PLL的部分附着轨道分子17。

相反，在图1(b)的例子中，在基板11上配置马达分子16，在分子发送机20和分子接收机30之间形成分子传输路径10B。该情况下，作为轨道分子的微管17沿由马达分子16形成的传送路径输送信息分子15。

分子传输路径10B的形成，例如通过光刻法在玻璃基板11上形成构图为规定的路径形状的保护膜(未图示)。在形成于保护膜上的槽内注入马达分子，并附着到基板11上。

图1(a)和图1(b)的系统在原理上是等价的。在图1(a)的例子中，马达分子16起传送信息分子15的载体的功能，图1(b)的例子中，轨道分子17起载体的功能。从而，以下将两者总称为载体分子19。

另外，在图1(a)、图1(b)的任意一个例子中，轨道分子17不限定于微管，也可以是肌动蛋白纤丝。该情况下，作为马达分子，用肌球蛋白取代驱动蛋白或动力蛋白。另外，传输路径10不一定固定在基板11上，例如，也可采用纤维状的路径。

图2是图1的分子通信系统1中采用的分子发送机20的概略结构图。分子发送机20生成信息分子并向分子传输路径10送出。分子发送机20具有：生成分子的分子生成部22；以及包含从外部接受分子供给的分子供给端口23中的至少一个的分子供给部21。分子贮藏部24暂时贮藏由分子生成部22生成或经由分子供给端口23从外部供给的分子。分子信息编码部25针对分子将想传送的信息进行编码。编码信息保护部26执行保护所编码的信息分子不受外部环境影响的处理。分子释放部27将所编码的(任意进行了保护处理的)信息分子向分子发送机20的外部释放。

图3是图1的分子通信系统1中采用的分子接收机30的概略结构图。分子接收机30接收分子发送机20送来的信息分子，将信息的内容解码。分子接收机30的分子接收部31捕捉在分子传输路径10上传送的信息分子，取入分子接收机30的内部。保护机构解除部32在所接收的信息分子进行了保护处理的情况下，解除其保护机构。分子信息解码部33对信息分子中被编码的信息进行解码或解释。分子处理部34进行分子的贮藏、分解、向分子接收机30外部的排出等。

接着，说明这样的分子通信系统1的动作。

在分子发送机20中，对外部供给或预先在分子贮藏部24贮藏的DNA进行克隆操作，将合成DNA或天然DNA进行组合连接，生成具有与想传送的信息内容对应的碱基排列(A：Adenine/G：Guanine/T：Thymine/C：Cytosine)的单链或双链的DNA。或者，生成具有与想传送的信息对应的结构(发夹结构或突起结构等)的单链或双链的DNA。这样的DNA的生成或操作从微量PCR(Polymerase Chain Reaction：聚合酶链式反应)等看来，可在微小的芯片上进行(例如，想参照K.Sun，et al.，″Fabricationand Evaluation of the All Transparent Micro-PCR Chip，″Technical Reportof IEICE，MBE2003-40，pp.1-4，July 2003.)。

例如，可考虑将CGA的碱基排列映射到文字A上、将CCA的碱基排列映射到文字B上、将GTT的碱基排列映射到文字C上等的方法。

或者，也可考虑将发夹结构映射到数字信息0上、将突起结构映射到数字信息1上。

编码时，也可以是在分子发送机外部预先大量合成各种各样的排列和形状的DNA，通过分子供给端口23存储在分子贮藏部24中，选择与想传送的信息对应的DNA并释放的形态。

传送的信息不仅可以是上述的人工模拟/数字信息，也可以是DNA具有的生命信息本身和疾患细胞的治疗用基因等。

以这样生成的DNA作为数据部，以将其与载体分子结合所采用的单链DNA作为结合部，通过连结而生成信息分子。

图4是表示信息分子(在本实施例中为DNA)的数据结构的模式图。信息分子15包括：与在分子传输路径10上移动到分子接收机30的载体分子(马达分子16或轨道分子17)结合所采用的结合部15a和将应传送的信息进行了编码的数据部15b。

为了保护所生成的信息分子15不受分子传输路径10中的温度和pH、分解酶、离子强度、光等可使分子变性的环境因素的影响，如图5所示，在编码信息保护部26中，数据部15b也可用作为无机化合物的LDH(Layered Double Hydroxide：双层氢氧化合物)18涂敷。LDH涂敷例如通过将所编码的DNA链取入LDH层间，通过密封来进行。LDH涂敷的方法及效果想参照J.H.Choy，et al.，″Inorganic-Biomolecular HybridNanomaterials as a Genetic Molecular Code System，″Advanced Material，16，No.14，pp.1181-1184，Jul.19，2004.。

这样生成加工的信息分子(例如DNA)15从分子释放部27向分子发送机20外释放。例如，可考虑通过具备离子通道这样的可开闭的门和计时器而在载体分子的巡回周期释放信息分子的机构。所释放的信息分子15如图6所示，存在于分子发送机20的附近，通过与在表面具备与信息分子15的结合部15a具有互补性的单链DNA的碱基排列的载体分子19形成(杂交)双链而结合。另外，由于载体分子19巡回，因而所释放的信息分子15只要在分子发送机20的附近持续存在，就会在释放一定时间后与巡回的载体分子19结合，因此并不一定需要具备计时器。

载体分子19在注入三磷酸腺苷(ATP)的溶液中，沿基板11上固定的轨道分子17或马达分子16的传送路径始终巡回移动。载体分子19的移动速度通过调节ATP浓度和镁离子浓度、溶液温度、粘性阻力可进行控制。利用此特性，可使载体分子19的巡回周期和从分子发送机20释放信息分子15的周期同步。

或者，也可以在不存在ATP的溶液中的分子发送机20的附近，使载体分子19等待，在信息分子15与载体分子19结合后，通过在溶液中注入可移动到分子接收机30的量的ATP，来开始载体分子19的移动。

结合了信息分子15的载体分子19，沿在基板11上形成传输路径10的轨道分子17或马达分子16，输送到分子接收机30。

在分子接收机30的分子接收部31中，使限制酶作用于输送来的载体分子19和信息分子15的结合体，切断使信息分子15和载体分子19结合的双链，将从载体分子19分离的信息分子15取入分子接收机30的内部。

所取入的信息分子15的数据部15b被LDH涂敷时，在保护机构解除部32中，通过取入到pH为3以下的溶液中而除去LDH涂敷。从LDH涂敷中取出DNA的方法也记载于上述J.H.Choy，et al.的文献中。

接着，分子信息解码部33通过读取信息分子15的数据部15b的排列，进行信息的解码。作为读取碱基排列的方法，最一般的是采用PCR(Polymerase Chain Reaction：聚合酶链式反应)和凝胶电泳的方法，但是也可通过检测DNA经过纳米级的孔(纳米洞)时的电流变化而读出排列，这公开于T.A.Goor，″Nanopore Detection：Threading DNA Through aTiny Hole，″PharmaGenomics，pp.28-30，March/April 2004。

也可取代直接地解读碱基排列，而通过观察出现被取入到分子接收机30中的DNA而产生的生化反应(例如蛋白质的生成等)来解释所编码的信息。

信息的解码或解释结束后，在分子处理部34中进行必要的处理。循环使用信息分子时，保存于贮藏部35中。消灭时，在分解部36中进行分解、消灭。向外部排出时，经由排出部37向分子接收机30外排出。

接着，说明上述第1实施方式的变形例。

(关于信息编码/解码)

在上述的实施例中，由于采用DNA作为信息分子15，因此示出了将信息映射到DNA的碱基排列和结构的示例。但是，根据作为信息分子而使用的分子的种类，可考虑各种各样的信息编码方法。

例如，偶氮苯的如下的性质是公知的，即：若照射波长380nm的光则从顺式(cis)结构变化到反式(trans)结构，若照射波长450nm的光则从反式结构变化到顺式结构(光异性化)。除此之外，如下的性质也是公知的，即：具有类似光学活性的分子，聚硅烷通过温度或化学物质这样的来自外部的能量，可将螺旋卷性从右变换到左或从左变换到右。利用这样的性质，也可考虑一个状态与″0″对应、另一个状态与″1″对应的信息编码。

另外，可考虑利用存在数万种的蛋白质的立体结构。例如，对于构成氨基酸排列或三维立体结构极其相似的蛋白家族(族)的蛋白质群，若映射某一个信息，则即使因分子发送机20和分子接收机30之间的外部环境引起的变化使蛋白质分子稍微变性，只要是相同蛋白质群中的变移，也不会丢失信息。从而，可实现提高了环境耐性的编码。

利用分子的立体结构也可进行信息编码。例如，可利用由金属原子和有机分子的自我组织化的结合所形成的各种的纳米结构体。若适当地设计成为构成部件的分子(原子的种类和数目、位置等的设计)，则仅仅在常温常压条件下溶于水，可以收率100％地合成自然界不存在的复杂纳米结构体(正方形、四面体、六面体、八面体、管型、箱型、八字型、九连环型等)。将这些结构与信息对应的编码方法也可实现。

对分子的立体结构进行信息编码时，在接收侧必须通过NMR(Nuclear Magnetic Resonance：核磁共振)或X线解析进行立体结构的解读。

另外，也可考虑不利用分子的立体结构，而利用分子结构的极性或振动、强度等性质的信息编码。而且，也可以是将填入各种各样尺寸的半导体纳米晶体(量子点阵)的胶乳制小珠作为信息分子，将填入到该小珠中的量子点阵的组成用于信息编码的方法。

采用量子点阵小珠时，通过将填入到一个胶乳小珠中的各种各样尺寸的量子点阵所发出的荧光用棱镜分光，可获得具有与小珠中的量子点阵的组成对应的波长和强度的频谱图案(理论上有10亿种图案)。从而，利用频谱图案的信息编码成为可能。

另一方面，也可考虑不对分子进行特别的操作，分子的存在本身就具有信息的方法。例如，已知信息素等的化学物质影响接受其分子的接收者的感情或行动等。即，分子的存在本身相当于编码，其解释相当于解码。另外，通过密封进行的信息分子的保护除了用LDH涂敷以外，例如也可考虑利用小囊泡，将信息分子封入小囊泡的内部进行密封。而且利用小囊泡密封信息分子时，多个信息分子可能封入同一小囊泡内，因此，可对信息分子的浓度或小囊泡内的不同信息分子的构成比率进行信息编码。另外，接受越多信息素等的化学物质的分子，其影响作用越强，因此，对浓度或构成比率进行信息编码时，接收者中发生的作用的强弱相当于解码。另外，作为这样密封信息分子的物质，除了小囊泡以外，也可采用由有机、无机分子等构筑的分子密封等，只要是可密封信息分子，则可以是任何物质。

(关于信息分子和载体分子的结合/分离)

在上述实施例中，由于是用DNA作为信息分子15的例子，因此利用DNA的杂交，但是根据作为信息分子而使用的分子的种类，可考虑各种各样的方法。

例如，考虑通过在载体分子的表面与接收体(受体)结合，从分子发送机20释放的蛋白质等的信息分子15可通过受体的分子识别能力捕捉并搭载于载体分子19上进行传送。另外，受体可通过定做人工地制成，因此，可用载体分子传送各种各样的信息分子。另外，受体也可附着于小囊泡表面，因此，使一个受体附着于小囊泡表面，并使该受体识别的分子附着于载体分子19上，从而可将小囊泡搭载于载体分子19上。小囊泡内可封入各种各样的信息分子，因此，即使不利用根据信息分子15的种类而不同的受体，也可将各种各样的信息分子用同一载体分子19传送。该情况下，如果用邮件来说，小囊泡相当于信封，信息分子15相当于装入其中的信笺，小囊泡不仅可保护封入内部的信息分子15不受分子传输路径10中的温度或pH、分解酶、离子强度、光等可使分子变性的环境因素的影响，且信息分子15的性质对于载体分子19是隐蔽的，可进行无须考虑信息分子15的种类的传送。

另外，载体分子的表面若与环湖精或冠醚结合，则通过取入适合环的大小的分子或离子的分子包接能力，可将信息分子用载体分子传送。另外，传送到分子接收机30的信息分子可通过施加光照射等的外部刺激而取出。

另外，也可考虑如下的方法：通过将分子发送机20释放的信息分子15用磷酸化酶磷酸化而与载体分子19结合，通过在分子接收机30中用脱磷酸化酶使信息分子脱磷酸化而分离。

(目的地信息的赋予)

在上述的实施例中，以采用单一的分子接收机30的情况为例进行了说明，但是在存在多个分子接收机30并具有各异的受体的分子通信系统中也可采用第1实施方式。

该情况下，使多个分子接收机30分别持有不同的受体。然后，在分子发送机20中，释放成为任一受体的配合基的分子并与载体分子19结合后传送，从而通过具有与该配合基对应的受体的分子接收机30捕捉载体分子。即，通过将载体分子19与信息分子15以及表示目的地信息的配合基分子结合，可对多个分子接收机30中特定的分子接收机30传送信息分子15。

(应用例)

(1)大容量的信息传送

使用DNA作为信息分子时，尤其能够以一个信息分子传送大容量的信息。

(2)燃料输送

若以氢作为信息分子传送，则可对燃料电池供给能量。若以质子(氢离子)作为信息分子传送，则可对旋转分子马达供给能量。

(3)伪物质转送

通过将酶或DNA这样的最低限度的物质作为信息分子传送，可在接收侧发生自我组织化等的生化反应，在接收侧也形成与发送侧相同的物质。

(4)μ-TAS(Micro Total Analysis System：微全分析系统)/Lab-on-a-Chip(芯片实验室)

指在芯片上使泵、阀、传感器、反应器等各种各样的组件微小化、集成化的系统，可在芯片上进行生化学分析或合成。这里，将各种试料或试药作为信息分子向各组件传送。

(5)分子计算机

将酶等的信息分子作为由分子构成的晶体管或逻辑门、存储器等的计算装置元件间的输入输出或控制信号来传送。

(6)纳米设备间通信、动作控制

进行能力、环境上无法使用电磁波的纳米级装置间的通信或不能由电子设备构成、驱动的纳米设备的动作控制等。

接着，参照图7～图12，说明本发明第2实施方式的分子通信系统。在第2实施方式中，作为传输路径，主要利用血管或淋巴管这样的生物体内的分子信号传送路径。

图7是第2实施方式的分子通信系统2的概念图。分子通信系统2包含分子发送机60、分子接收机70以及连接它们的分子传输路径50。分子发送机60对分子进行信息编码，生成信息分子55，并发送该信息分子55和成为信息分子55的目的地标识的标识分子56。信息分子55和标识分子56通过分子传输路径50到达分子接收机70。分子接收机70接收信息分子55及标识分子56，从信息分子55中将信息解码。

分子发送机60例如具有人工地改变生物体的细胞，对分子进行信息编码的能力，生成具有被编码的信息的信息分子55和标识分子56并向外部送出。另外，分子发送机60除了人工地改变生物体的细胞以外，还可用机械部件人工地构成生物体的细胞。另外，成为编码对象的分子和标识分子，不一定在分子发送机60的内部生成，也可以人工地将编码用的分子和标识分子预先存储在分子发送机60内部。分子发送机60的最低限度的能力只要具有对分子进行信息编码并将其发送的功能即可。

标识分子是激素或神经传送物质这样的分子，是具有与特定的受体选择性地结合的能力的分子。成为编码对象的分子，例如是蛋白质或DNA这样的生物体分子。这些成为编码对象的分子中预先在分子结构上具有与标识分子结合的部分，以便与附近的标识分子结合。另外，编码方法将后述。

分子传输路径50例如是血管或淋巴管这样的生物体内的分子信号传送路径，在分子发送机60和分子接收机70之间，传输信息分子55和标识分子56的结合体(对)。分子传输路径50也可以不是血管或淋巴管，只要是可输送信息分子55/标识分子56的结合体的路径，则可以是任何路径，例如，可以是分子马达成为载体分子在任意的分泌路径或作为生物体内以外的路径的上述第1实施方式所示的流路中移动的路径。

分子接收机70例如是具备接收标识分子56的受体的生物体细胞或将其改变后的人工细胞，将信息分子55与标识分子56一起取入内部，对信息分子55中的被编码的信息进行解码。解码方法与编码方法都将后述。另外，分子接收机70不限于生物体细胞或将生物体细胞改变后的人工细胞，也可以采用机械部件人工地构成。不管哪种情况，只要具有接收标识分子56的受体并具有对信息分子55中的被编码的信息进行解码的功能即可。

作为通过分子发送机60对分子进行信息编码的方法，最单纯的编码方法是例如使分子A与信息″0″对应、使分子B与信息″1″对应并发送任一个来改变传送的信息的编码方法。分子A、B可利用完全不同的分子，但作为分子B，可采用使磷酸化或泛素化等任何化学反应作用于分子A而改变性质的分子。另外，当分子发送机是生物体细胞或将生物体细胞改变后的人工细胞时，生物体细胞若选择具有向细胞外释放的信号的分子作为这样的分子A、B，则仅通过生成分子并编码，就可以向细胞外释放。另外，当采用机械部件构成分子发送机时，利用具有时钟的开闭门等的部件，可与分子的生成、编码同步地控制分子释放的定时。另外，分子生成、编码后，若不必马上发送，则分子的生成、编码不必与分子释放同步，利用定期开闭的门等的部件，可更简易地构成分子发送机。

作为分子接收机70中的解码方法，可通过准备各自对应的受体并判定与哪一个结合，对发送的信息进行解码。作为判定方法，观测、测定与受体结合的结果、分子接收机中发生的作用(分子接收机的形态变化、伴随分子接受的化学物质的释放等)即可。另外，也可不采用″0″、″1″这样的数字信息，而将分子接收机中发生的作用本身作为信息，该情况下，分子发送机中发生传送作用的分子的生成相当于编码，分子接收机中发生期望的作用的情况相当于解码。这样，将作用本身作为信息发送的分子发送机，例如，可考虑利用外部刺激感受性变异细胞等来实现，该细胞具有改变了真核细胞的基因并根据周围的温度或光等的外部刺激而启动/停止某分子的释放、或者使释放的分子的种类或浓度变化的功能。另外，分子接收机可考虑利用生物体细胞本身实现。

另外，分子结构中具有扭转部分，利用扭转的方向有右扭转和左扭转的情况的二氮杂戊芬(ジアザペンタフエン)类的分子，将右扭转的情况与信息″0″对应，左扭转的情况与信息″1″对应，通过与信息对应地操作扭转方向，也可进行编码。该分子可通过圆偏光控制扭转的方向，因此，可通过照射左右任一侧的圆偏光来进行编码。通过圆偏光的照射对扭转方向进行的控制记载于：田中康隆，「分子メモリ一を目指した新規な光学活性芳香族分子の合成とその物性に関する研究」，静岡大学ベンチヤ一ビジネスラボラトリ一研究開発プロジエクト報告書，平成12年。

另外，已知扭转的方向可由圆二色性频谱读出，可将其用作分子接收机70中的解码方法。另外，这些利用圆偏光或频谱的编码、解码方法可用于机械构成的分子发送机、分子接收机中，但是采用由原细胞构成的分子发送机、分子接收机时，难以发生圆偏光或频谱，因此实现可能性低。

也可取代利用分子本身或分子的结构的信息编码、解码方法，而采用如第1实施方式那样，利用DNA作为编码的分子并用其碱基排列进行编码，或者，如上述专利文献1(日本特开2003-101485)所记载的那样，利用氨基酸作为编码的分子并利用通过其排列进行编码的编码方法。但是，有可能某种蛋白质或DNA置于血中时受到酶的分解，因此此时的分子传输路径最好是血管以外的流路。但是，如第1实施方式所示，由于可以将DNA用LDH等密封进行保护，或用小囊泡封入信息分子进行保护，因此，若利用这样的手法则也可在血中进行传送。

另外，也可以不是对一个分子进行信息编码，而是准备多个分子，并根据其浓度进行编码。例如，也可采用当分子A和分子B共存在100个时，分子A的比率为70％以上则表示信息″0″，分子B的比率为70％以上则表示信息″1″的编码方法。即使由于在分子传输路径50中若干个分子发生化学变化或与其他分子结合而失去其性质，使得若干个信息分子未能被分子接收机70接收，但如果某一定数量以上的分子到达分子接收机70，就可进行信息的解码。从而，可将分子传输路径50的影响引起的信息误差抑制为较低。任一分子的浓度都在70％以下时，可检测为发生了信息误差，因此可请求分子发送机60进行信息的重发，可提高通信的可靠性。另外，具有这样的信息编码的功能的分子发送机，可考虑利用根据温度或光等的外部刺激而切换释放分子A、分子B之一的前述的外部刺激感受性变异细胞等，通过调节为了控制全体的分子生成量而提供的营养素的量来实现。

另外，如第1实施方式所示，分子释放时，也可采用将分子封入小囊泡中以保护分子的机构，该情况与第1实施方式的情况相同，也可对封入小囊泡内的分子的浓度或不同分子在小囊泡内的构成比率等进行信息编码。该情况下，由于由小囊泡保护信息分子，因此也具有信息误差发生的概率低的效果。另外，解码也与第1实施方式一样，通过观测、测定分子接收机中发生的作用的强度来实现。另外，也可不将″0″、″1″这样的数字信号作为信息，而是将分子接收机中发生的作用及其强度作为信息。该情况下，在分子发送机中生成发生传送作用的分子，并以可达到期望的强度的浓度或比率封入小囊泡内的情况相当于编码，在分子接收机中以期望的强度发生期望的作用的情况相当于解码。另外，作为以期望的浓度或比率将分子封入小囊泡内的手法，可考虑利用当小囊泡形成时小囊泡内部的信息分子的浓度或比率与环境中的信息分子的浓度或比率相同的性质，控制分子生成量，使分子发送机内的信息分子的浓度或比率达到期望的浓度或比率后，形成小囊泡。

以下，以根据信息分子55的浓度进行信息编码、解码的方法为例，说明图7的分子通信系统2的动作。

图8表示图7所示分子发送机60的第1结构例。分子发送机60包括标识分子生成部61、信息分子生成部62、分子编码部65及分子释放部67。标识分子生成部61是生成激素或神经传送物质这样的标识分子56的部分，在生物体的细胞中，是相当于核糖体的部分。信息分子生成部62是生成成为信息编码对象的蛋白质等的分子的部分，它们在生物体的细胞中也相当于核糖体。另外，为了区别成为编码对象的分子的生成和标识分子的生成，说明中方便地称为信息分子生成部。

如上所述，不在分子发送机60的内部生成标识分子或信息编码用的分子，而是预先人工地进行存储时，形成图9的结构。该情况下，分子发送机60具有标识分子存储部64，以取代标识分子生成部61，并具有信息分子存储部66，以取代信息分子生成部62。信息分子生成部62和信息分子存储部66都意味着提供成为编码对象的分子，起分子供给部的功能。

分子编码部65对生成或预先存储的分子进行规定的编码，形成信息分子55。编码的信息分子55与标识分子56一起从分子释放部67释放。

现在，假设分子发送机60埋入生物体内的胰脏附近，将由与分子发送机60连接的传感器等(未图示)取得的体温、体液粘度等的生物体信息定期地发送到同样埋入生物体内的肝脏附近的分子接收机70。分子发送机60的标识分子生成部61为了将传感器取得的信息传送到分子接收机70，以来自传感器的输入作为触发，生成以肝脏的细胞作为标的细胞的激素即胰岛素，作为标识分子。

另一方面，信息分子生成部62(或信息分子存储部66)以来自传感器的输入为触发，将具有与胰岛素结合的结构的蛋白质分子(分子A)作为编码对象分子(信息分子)输出。

根据传感器输入，输出100个作为标识分子的胰岛素，并输出100个用于信息分子的分子A。由传感器检测的信息是体温，体温若高于36.5度则编码为″0″，若在36.5度以下则编码为″1″。进行当编码为″0″时磷酸化的分子A的比率为70％以上而编码为″1″时泛素化的分子A的比率为70％以上的编码。取得的体温为36度时，分子编码部65为了编码为″1″，使泛素作用于分子A，使分子A的大部分泛素化。这里将阈值设定成70％是因为考虑到可能存在一部分泛素未作用到的分子。

作为标识分子的胰岛素和进行了信息编码的分子(信息分子)A从分子释放部67被释放。此时，分子A由于具有易于与胰岛素结合的结构部位，因此从分子释放部67发送前，形成分子A和标识分子的结合体。不过，也可考虑根据状况，在从分子发送机60释放后形成该结合体。另外，预先设计成分子A即使通过磷酸化或泛素化进行信息编码也不会影响易于与标识分子结合的部分，从而，不会因编码而无法形成该结合体。

另外，分子A与胰岛素结合的部分，是与胰岛素与分子接收机(受体)70结合的部分不同的部分。信息分子A与胰岛素的结合部分预先设计成不影响其他部分，从而，可避免由于该结合而导致胰岛素不能被分子接收机70接收的情况。

分子发送机60发送的分子(胰岛素和被编码的信息分子A的结合体)通过流过胰岛素的生物体内信号传送路径即血管的血流在体内传输，到达具有胰岛素的受体的肝脏附近的标的细胞。此时，胰岛素与信息分子A的结合体为了在传输路径50中不受分解等的影响，也可以从分子发送机60的分子释放部67以预先将信息分子A与抗胰岛素抗体结合的状态释放。

图10是表示图7的分子通信系统2使用的分子接收机70的结构例的概略图。分子接收机70具有标识分子接收部71和信息分子解码部72。标识分子接收部71是接收标识分子的部分，相当于生物体的细胞中的受体，与特定的标识分子选择性地结合。信息分子解码部72是进行信息的解码的部分，在对蛋白质通过磷酸化或泛素化等的化学反应进行编码的情况下，根据受到各个化学反应的蛋白质所起的作用的差异进行解码。

在上述的例子中，分子接收机70的标识分子接收部71由胰岛素的受体构成，从分子传输路径50传输来的结合分子中的标识分子(胰岛素)通过与该标识分子接收部71结合，包含信息分子的分子被分子接收机70接收。胰岛素与标识分子接收部71结合后，分子接收机70通过依赖于受体的胞吞作用，将胰岛素和信息编码分子A的结合体取入分子接收机70的内部。依赖于受体的胞吞作用记载于：米田悦啓，「細胞内輸送がわかる」，ISBN：4897069963，羊土社，第45～53页。取入的信息分子由信息分子解码部72解码。

在上述的例子中，信息的目的地是肝脏附近的分子接收机，因此使用胰岛素作为标识分子56。目的地是肾脏附近的分子接收机时，使用作用于肾脏的激素即醛固酮作为标识分子56。这样，通过对各个目的地使用适当的标识分子，可将进行了信息编码的分子通过生物体的分子信号传送路径，发送到适当的目的地。

另外，即使不是生物体的分子信号传送路径，例如是上述的第1实施方式所示的流路，只要存在按照各个目的地具有不同的受体的分子接收机，就可利用本发明，将进行了信息编码的分子发送到适当的目的地。

在上述的例子中，采用将传感器等取得的信息向目的地发送的结构，但是第2实施方式的分子通信系统2也可用于将药分子发送到适当的目的地的目的。该情况下，药分子成为信息分子55，药分子在分子接收机70中作用的状态相当于编码，在分子接收机70中药作用的情况相当于解码。

在上述的例子中，在一个分子发送机60中，生成标识分子56和信息分子55这两者，但是如图11所示，也可采用生成并释放标识分子56的第1分子发送装置60a和生成并释放被编码的信息分子55的第2分子发送装置60b来构成为分子发送装置群或分子发送机60。该情况下，第1分子发送装置60a例如可以是本来生物体中存在的细胞本身，而仅将第2分子发送装置60b埋入第1分子发送装置60a的附近。

如图11(a)所示，第2分子发送装置60b除了信息分子生成部62、分子编码部65、分子释放部67b，还具有标识分子检测部68。标识分子检测部68例如是标识分子的受体，通过接收第1分子发送装置(生物体细胞)60a释放的标识分子56的一部分，来检测标识分子56的释放。标识分子检测部68检测到标识分子56的释放(分泌)后，向信息分子生成部62指示编码对象分子的生成。由分子编码部65对分子进行信息编码后，从分子释放部67b输出信息分子55。

或者，也可以不是在检测到标识分子56的释放后生成被编码的信息分子，而预先进行成为编码对象的分子的生成、编码。该情况下，如图11(a)中虚线的箭头所示，根据标识分子56的释放的检测，对分子释放部67b进行信息分子55的释放指示，从而立即释放信息分子55。作为该指示方法，可考虑在利用生物体细胞或将其人工改变后的人工细胞作为分子发送机的情况下，标识分子检测部68在检测出激素分泌时，将生物体细胞释放分子时利用的钙离子作为信号向分子释放部67b传送。另外，标识分子检测部68作为检测激素分泌的机构，可考虑利用与分泌的激素对应的受体。为了实现以激素与受体的结合为触发而发生钙离子向分子释放部传送的作用的结构，可考虑利用可将与受体结合的分子和以其为触发而发生的作用进行自由组合的嵌合体受体。嵌合体受体请参照M.Kawahara，et al.，″Selection of genetically modified cell population usinghapten-specific antibody/receptor chimera，″Biochemical and BiophysicalResearch Communications，″vol.315，pp.132-138，Feb.2004.。钙离子作用后，在分子释放部67b中，促进释放分子的机制即胞吐作用，释放信息分子。

在任一结构中，如图11(b)所示，按照第1分子发送装置(生物体细胞)60a释放标识分子的定时，由第2分子发送装置60b释放信息分子，并将这些分子的结合体沿分子传输路径送出。

图12表示又一个结构例3。在结构例3中，如图12(b)所示，当第2分子发送装置60b必须释放信息分子55时，向第1分子发送装置(生物体细胞)60a发出分泌标识分子的指示。

该情况下，第2分子发送装置60b除了信息分子生成部62、分子编码部65、分子释放部67b以外，还具有标识分子释放指示部69。若第1分子发送装置(生物体细胞)60a释放的标识分子56是激素，则标识分子释放指示部69向第1分子发送装置60a输出刺激激素释放的激素等。

如图11及图12的例子所示，分子发送机构成为多个分子发送装置的集合的情况与由一个分子发送机生成标识分子56和信息分子55两者的情况相比，估计会降低标识分子56与信息分子55结合的概率，但是由于确保了某种程度的结合概率，因此没有特别成为问题。另外，在分子接收机70中，通过使解码的阈值降低到某种程度(例如60％左右)，可避免结合概率降低的问题。另外，在图11及图12的结构例的说明中，以分子发送装置60a是生物体细胞进行了说明，但是除了生物体细胞以外，也可利用改变生物体细胞后的细胞或机械构成满足分子发送装置60a的功能的装置。

如上所述，根据本发明的第1实施方式及第2实施方式，提供可控制性良好地进行经由分子的信息传送的分子通信系统，可在无法应用传统的通信系统的生物体内或分子级的收发机间进行通信。

另外，分子通信系统由化学能驱动工作，对纳米级的分子进行信息编码并传送，因此，可以以比传统的通信系统更少的能量消耗量进行信息密度高的信息传送。

而且，可将传统的通信系统无法传送的发送侧的生化现象或状态，经由分子传送/再现于接收侧，提供基于生化反应的新通信形态。

本国际申请主张基于2005年3月7日的日本专利申请2005-063105号的优先权，其全部内容引用到本国际申请。

Claims (26)

1.一种分子通信系统，其特征在于，

该分子通信系统包括：

送出编码有规定信息的信息分子的分子发送机；

接收上述信息分子的分子接收机；以及

连接上述分子发送机和分子接收机之间的分子传输路径，

上述分子传输路径包含由高分子材料形成的传送路径和沿该传送路径在规定的方向上巡回的载体分子，从上述分子发送机送出的信息分子搭载于上述载体分子，输送到上述分子接收机。

2.根据权利要求1所述的分子通信系统，其特征在于，

上述传送路径由轨道分子形成，上述载体分子是马达分子，上述信息分子搭载于上述马达分子上，输送到上述分子接收机。

3.根据权利要求1所述的分子通信系统，其特征在于，

上述传送路径由马达分子形成，上述载体分子是轨道分子，上述信息分子搭载于上述轨道分子上，输送到上述分子接收机。

4.根据权利要求1所述的分子通信系统，其特征在于，

上述分子接收机具备：

接收搭载于上述载体分子上的信息分子并从上述载体分子分离信息分子的分子接收部；以及

将上述分离的信息分子解码的解码部。

5.根据权利要求1所述的分子通信系统，其特征在于，

上述传送路径设置于注入了三磷酸腺苷(ATP)的溶液中，上述载体分子的移动速度可通过变更ATP浓度、镁离子浓度、溶液温度、粘性阻力中的至少一个进行调节。

6.根据权利要求1所述的分子通信系统，其特征在于，

对从上述分子发送机释放的信息分子的种类、浓度、构成比率或它们的任意组合进行信息编码，根据上述分子接收机中发生的作用的种类或强弱，将信息解码。

7.根据权利要求1所述的分子通信系统，其特征在于，

上述信息分子由可封入该信息分子的物质密封，保护上述信息分子不受可使上述分子传输路径中的分子变性的环境因素的影响，上述信息分子的性质对于上述载体分子是隐蔽的。

8.根据权利要求1所述的分子通信系统，其特征在于，

上述信息分子具有由单链DNA的碱基排列构成的结合部，

上述载体分子包含与上述信息分子的结合部具有互补性的单链DNA的碱基排列，通过与上述信息分子的结合部形成双链，搭载上述信息分子。

9.一种分子通信方法，其特征在于，

该分子通信方法包含以下步骤：

在分子发送机和分子接收机之间，形成由高分子材料构成的传送路径，

沿上述传送路径使载体分子在规定的方向上巡回，

在上述分子发送机中，对分子进行规定信息的编码，生成信息分子，

将上述信息分子向上述传送路径送出，搭载于上述巡回的载体分子上，

将上述信息分子沿上述传送路径传送到分子接收机。

10.根据权利要求9所述的分子通信方法，其特征在于，

由轨道分子形成上述传送路径，

使马达分子作为上述载体分子巡回，

将上述信息分子搭载于上述马达分子上，输送到上述接收机。

11.根据权利要求9所述的分子通信方法，其特征在于，

由马达分子形成上述传送路径，

使轨道分子作为上述载体分子巡回，

将上述信息分子搭载于上述轨道分子上，输送到上述分子接收机。

12.根据权利要求9所述的分子通信方法，其特征在于，

该分子通信方法还包括以下步骤：

在上述分子接收机中，接收搭载于上述载体分子上的信息分子，

从上述载体分子分离上述信息分子，

将上述分离的信息分子解码。

13.根据权利要求9所述的分子通信方法，其特征在于，

该分子通信方法还包括以下步骤：

在注入了三磷酸腺苷(ATP)的溶液中设置上述传送路径，

通过变更上述ATP的浓度、镁离子浓度、溶液温度、粘性阻力中的至少一个来调节上述载体分子的移动速度。

14.根据权利要求9所述的分子通信方法，其特征在于，

在生成上述信息分子的步骤中，对上述信息分子的种类、浓度、构成比率或它们的任意组合进行信息编码。

15.根据权利要求12所述的分子通信方法，其特征在于，

在生成上述信息分子的步骤中，对上述信息分子的种类、浓度、构成比率或它们的任意组合进行信息编码，

在上述解码的步骤中，根据上述分子接收机中发生的作用的种类或强弱，将信息解码。

16.根据权利要求9所述的分子通信方法，其特征在于，

在生成上述信息分子的步骤中，上述信息分子由可封入该信息分子的物质密封，从而保护上述信息分子不受可使上述分子传输路径中的分子变性的环境因素的影响，上述信息分子的性质相对于上述载体分子是隐蔽的。

17.根据权利要求9所述的分子通信方法，其特征在于，

生成上述信息分子的步骤还包括在上述信息分子上形成由单链DNA的碱基排列构成的结合部的步骤，

搭载于上述载体分子上的步骤还包括由上述信息分子的结合部和上述载体分子所具有的单链DNA的碱基排列形成双链的步骤，所述单链DNA的碱基排列与信息分子的结合部具有互补性。

18.一种分子通信系统，其特征在于，

该分子通信系统包括：

送出编码有规定信息的信息分子的分子发送机；

接收上述信息分子的分子接收机；以及

连接上述分子发送机和分子接收机之间的分子传输路径，

上述分子发送机包括：

对规定的分子进行规定信息的编码，以生成信息分子的分子编码部；

生成用于识别作为上述信息分子的目的地的上述分子接收机的标识分子的标识分子生成部；以及

将上述信息分子及标识分子向上述分子传输路径送出的分子释放部。

19.根据权利要求18所述的分子通信系统，其特征在于，

上述分子发送机包括：

具有上述标识分子生成部及释放上述标识分子的第1分子释放部的第1分子发送装置；以及

具有上述分子编码部及释放上述信息分子的第2分子释放部的第2分子发送装置，

上述第2分子发送装置还具有检测来自上述第1分子发送装置的上述标识分子的释放的标识分子检测部，上述第2分子释放部根据上述标识分子的检测，释放上述信息分子。

20.根据权利要求18所述的分子通信系统，其特征在于，

上述分子发送机包括：

具有上述标识分子生成部及释放上述标识分子的第1分子释放部的第1分子发送装置；以及

具有上述分子编码部及释放上述信息分子的第2分子释放部的第2分子发送装置，

上述第2分子发送装置还具有在释放上述信息分子时，向上述第1分子发送装置指示释放上述标识分子的标识分子释放指示部，上述第1分子释放部根据上述指示，释放上述标识分子。

21.根据权利要求18所述的分子通信系统，其特征在于，

上述分子传输路径是流路，

上述分子释放部释放上述标识分子及信息分子，使上述标识分子和信息分子在上述分子发送机的内部或外部结合，

上述信息分子根据上述标识分子，沿上述分子传输路径输送到上述分子接收机。

22.根据权利要求18所述的分子通信系统，其特征在于，

上述分子接收机包括：

接收上述标识分子和上述信息分子的结合体并取入与上述标识分子结合的信息分子的标识分子接收部；以及

对上述信息分子进行解码的解码部。

23.一种分子通信方法，其特征在于，

该分子通信方法包含以下步骤：

在分子发送机中，对规定的分子进行规定信息的编码，以生成信息分子和用于识别作为该信息分子的目的地的分子接收机的标识分子，

从上述分子发送机将上述信息分子和标识分子释放到分子传输路径，使上述信息分子与上述标识分子结合，

通过上述分子传输路径将上述信息分子和标识分子的结合体输送到上述分子接收机，

在上述分子接收机中接收上述结合体。

24.根据权利要求23所述的分子通信方法，其特征在于，

在上述分子发送机中，监视上述标识分子的释放，

检测到上述标识分子的释放时，以此为触发，释放上述信息分子。

25.根据权利要求23所述的分子通信方法，其特征在于，

在上述分子发送机中，当释放上述信息分子时，指示释放上述标识分子。

26.根据权利要求23所述的分子通信方法，其特征在于，

该分子通信方法还包括以下步骤：

在上述分子接收机中，接收上述标识分子和信息分子的结合体，取入与上述标识分子结合的信息分子，

对上述信息分子进行解码。

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