ES2373739T3 - Sistema de comunicación molecular. - Google Patents

Abstract

Un sistema de comunicación molecular (1) caracterizado por: un transmisor molecular (20) para transmitir una molécula de información (15) en la cual se codifica información prescrita; un receptor molecular (30) para recibir la molécula de información; y un canal de transmisión molecular (10) que se extiende entre el transmisor molecular y el receptor molecular, donde el canal de transmisión molecular incluye una ruta de transmisión ( 16, 17) formada de materiales macromoleculares y una molécula portadora (17, 16) que se mueve en una dirección prescrita a lo largo de la ruta de transmisión, y la molécula de información es portada sobre la molécula portadora y transportada al receptor molecular.

Description

Sistema de comunicacion molecular

Campo de la invencion

La presente invencion se relaciona en general con un sistema de comunicacion molecular, y mas particularmente

con un si stema de co municacion molecular capaz de portar y transportar moleculas de informacion entre un transmisor molecular y un receptor molecular a traves de un canal de transmision disenado artificialmente con buena capacidad de control.

Tecnica antecedente

La comunicacion molecular esta inspirada por la observacion de l os mecanismos de senalizacion intracelular e

intercelular mediados por sustancias quimicas (moleculas). En la comunicacion molecular, se usan moleculas a nanoescala como portadores de informacion en los cuales se codifica la informacion. Se espera que la comunicacion molecular cree un nuevo paradigma de comunicacion con base en reacciones quimicas estimuladas por la recepcion de moleculas.

A diferencia de las tecnologias de comunicacion existentes que hacen uso de ondas electromagneticas (senales

electricas o senales opticas), para los portadores de informacion, la comunicacion molecular se implementa utilizando senales bioquimicas a una velocidad baja con poco consumo de energia. La comunicacion molecular tiene alto potencial de aplicacion para escala interdispositivos que no pueden utilizar ondas electromagneticas por razones de capacidad o razones ambientales o para el control operacional de nanomaquinas que no pueden ensamblarse con o manejarse por componentes electronicos.

Uno de los mecanismos de senalizacion in vivo es un transporte vesicular que utiliza proteinas motoras, denominadas quinesinas. La quinesina tiene aproximadamente 80 nm de longitud y porta una sustancia varias veces

mas grande que la quinesina misma a lo largo de una molecula riel en forma de fibra denominada microtubulo en una celula viva. Se conoce un sistema de nanotransporte que hace uso de este biofenomeno, en el cual las quinesinas que portan una carga artificial (microperla) se mueven en una direccion a lo largo de un microtubulo fijado

sobre un sustrato. Vease la publicacion no patente numero 1 y esta mas abajo. Tambien se conoce otro sistema de nanotransporte en el cual las quinesinas se fijan a un canal recto formado por litografria y un mocrotubulo se mueve sobre las quinesinas fijas en una direccion. Vease la publicacion no patente 2 listada mas abajo.

Sin embargo, estas publicaciones solamente informan acerca de experimentos exitosos para confirmar un movimiento unidireccional artificial de moleculas in vivo y no se refieren a aplicaciones reales en ningun caso.

Entre tanto, se propone un sistema de comunicacion de informacion utilizando una biomolecula como medio de comunicacion o un m edio de registro. Vease la publicacion relacionada con patente 1 l istada mas abajo. Este sistema incluye un su bsistema de trasmision que convierte un mensaje para ser transmitido (o escrito) en informacion en secuencia o en informacion en modo de enlazamiento y combina la informacion en secuencia y la informacion en modo de enlazamiento con un material biopolimerico para producir un polimero sintetico.

Cuando se recibe o se lee el polimero sintetico en el subsistema de recepcion, la informacion secuencia/modo de enlazamiento codificada se extrae del polimero sintetico y se descodifica para convertirse en un mensaje recibido (o leido).

Esta publicacion no describe como se transmite el polimero sintetico desde el subsistema de transmision hasta el subsistema de recepcion utilizando que clase de canal de transmision.

Publicacion no patente 1: R. Yokokawa, et al., "Hybrid Nanotransport System by Biomolecular Linear Motors", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. No.13, No. 4, pag. 612 - 619, Aug. 2004

Publicacion no patente 2: Hiratsuka, et al., "Controlling the Direction of Kinesin-driven Microtubule Movements along Microlithographic Tracks", Biophysical Journal, Vol. 81, No. 3, pag. 1555 - 1561, Sep, 2001

Publicacion relacionada con patente: JP 2003-101485A US2004/0093575 describe dispositivos electronicos sintetizados y ensamblados quimicamente.

Resumen de la invencion

Problema que va a ser resulto por la invencion

La presente invencion busca reconstruir el mecanismo de transduccion de senal mediado por una molecula existente en el mundo viviente como un sistema de comunicacion operativo autonomamente bajo diseno artificial.

La invencion tambien busca construir un sistema de comunicacion molecular que tenga directividad utilizando un canal de transmision controlable.

Medios para resolver el problema

De ac uerdo c on u n as pecto de l a pr esente i nvencion, se pr oporciona un s istema de co municacion m olecular caracterizado por:

un transmisor molecular para transmitir una molecula de informacion en la cual se codifica informacion prescrita;

un receptor molecular para recibir una molecula de informacion;

un canal de transmision de moleculas que se extiende entre el transmisor molecular y el receptor molecular donde el canal de transmision molecular incluye unaruta de transmision formada por materiales macromoleculares yuna molecula portadora que se mueve en una direccion prescrita a lo largo de la ruta de transmision, y la molecula de informacion esta portada sobre la molecula portadora y transportada hacia el receptor molecular.

De acu erdo co n ot ro as pecto de l a presente i nvencion se pr oporciona un m etodo de co municacion m olecular caracterizado por las etapas de:

proveer una r uta de t ransmision f ormada de m ateriales macromoleculares entre un t ransmisor m olecular y un receptor molecular;

permitir que una molecula portadora se mueva en una direccion prescrita a lo largo de la ruta de transmision;

generar una molecula de informacion codificando informacion prescrita en una molecula;

extraer la molecula de informacion del transmisor molecular para cargar la molecula de informacion sobre la molecula portadora que se mueve a lo largo del canal de transmision; y

transportar la molecula de informacion hasta el receptor molecular.

Para resolver los problemas, en un asp ecto de la invencion, se provee un canal de transmision molecular entre un transmisor molecular y un receptor molecular.

Para ser mas precisos, un sistema de comunicacion molecular incluyeun transmisor molecular que transmite una molecula de informacion en la cual se codifica informacion prescrita, un receptor molecular que recibe la molecula de informacion y un ca nal d e t ransmision m olecular qu e se ex tiende ent re el t ransmisor m olecular y el r eceptor molecular. El canal de transcripcion molecular incluye una ruta de transmision formada de materiales polimericos altos (o macromoleculares) y una molecula portadora que se mueve o circula en una direccion prescrita a lo largo de la ruta de transmision. La molecula portadora porta la molecula de informacion desde el transmisor molecular y lo transporta hasta el receptor molecular.

Con este sistema de comunicacion molecular, la molecula de informacion puede suministrarse al destino a lo largo de la ruta de transmision artificialmente estructurada bajo control.

En un ejemplo, la ruta de transmision esta estructurada por moleculas riel, y se usa una molecula motor como molecula portadora. En este caso, la molecula de informacion es portada sobre la molecula motora y transportada al receptor molecular.

En una alternativa, la ruta de transmision esta estructurada por moleculas motor, y se usa una molecula riel como molecula portadora. En este caso, la molecula de informacion es portada sobre la molecula riel, y transportada hacia el receptor molecular.

En el se gundo asp ecto de la i nvencion en un si stema de co municacion m olecular que i ncluye u n t ransmisor molecular, un receptor molecular, y un canal de transmision molecular que se extiende entre el transmisor molecular y el receptor molecular, sistema en el cual el trasmisor molecular tiene:

un codificador de informacion molecular que codifica la informacion prescrita en una molecula para producir una molecula de informacion:

un ge nerador de m olecula m arcada par a gener ar una molecula m arcada ut ilizada para i dentificar el r eceptor molecular como destino de la molecula de informacion; y

un emisor de moleculas para emitir la molecula con informacion codificada y la molecula marcada hacia el canal de transmision molecular.

El sistema de comunicacion molecular puede transmitir una molecula de informacion al destino objetivo con alta confiabilidad. Transmitiendo un cierto numero de moleculas de informacion con la misma informacion codificada, la informacion puede ser transportada al destino objetivo casi sin fallo.

En un ejemplo, el transmisor molecular incluye una primera unidad de transmision de moleculas que tiene un generador de moleculas marcadas y un primer emisor de moleculas para emitir una molecula marcada, una segunda unidad de transmision de moleculas que tiene un codificador de informacion molecular y un emisor de moleculas para emitir una molecula de informacion.

La segunda unidad de transmision de moleculas puede tener adicionalmente un detector de moleculas marcadas para detectar la emision de la molecula marcada desde la primera unidad de transmision molecular. En este caso, el segundo emisor de moleculas emite la molecula de informacion con base en la deteccion de la molecula marcada.

En otro ejemplo, cuando el transmisor molecular incluye una primera unidad de transmision molecular que tiene un generador de moleculas marcado y un primer emisor molecular para emitir una molecula marcada, y una segunda unidad d e t ransmision m olecular qu e t iene un co dificador de i nformacion m olecular y u n se gundo em isor d e moleculas para em itir una m olecula de i nformacion, l a se gunda uni dad de t ransmision m olecular t iene adicionalmente una unidad de instruccion de emision de moleculas marcadas que instruye a la primera unidad de transmision molecular para emitir la molecula marcada cuando la molecula de informacion es emitida. En este caso, la primera unidad de transmision molecular emite la molecula marcada con base en la instruccion recibida en la segunda unidad de transmision molecular.

Ventaja de la invencion

Se realiza un sistema de comunicacion molecular capaz de propagar informacion mediada por moleculas con buena capacidad de control.

Breve descripcion de los dibujos

La FIG. 1 es un diagrama especifico para explicar la idea basica de un sistema de comunicacion molecular de acuerdo con la primera realizacion de la invencion;

La FIG. 2 es un diagrama de bloques esquematico que ilustra un ejemplo del transmisor molecular usado en el sistema de comunicacion molecular en la FIG. 1;

La FIG. 3 es un diagrama de bloques esquematico que ilustra un ejemplo del receptor molecular usado en el sistema de comunicacion molecular mostrado en la FIG 1;

La FIG. 4 es un diagrama esquematico que ilustra un ejemplo de la estructura de datos de la molecula de informacion transmitidos en el sistema de comunicacion molecular mostrado en la FIG. 1;

La FIG. 5 es un diagrama esquematico de la molecula de informacion con la seccion de datos protegidos;

La FIG. 6 es un diagrama esquematico de la molecula de informacion enlazada a y portada por una molecula portadora;

La FIG. 7 es un diagrama esquematico para explicar un sistema de comunicacion molecular de acuerdo con la segunda realizacion de la invencion;

La FIG. 8 ilustra un primer ejemplo del transmisor molecular usado en el sistema de comunicacion molecular mostrado en la FIG. 7;

La FIG. 9 ilustra un segundo ejemplo del transmisor molecular usado en el sistema de comunicacion molecular mostrado en la FIG. 7;

La FIG. 10 ilustra un ejemplo del receptor molecular usado en el sistema de comunicacion molecular mostrado en la FIG. 7;

La FIG. 11 ilustra un tercer ejemplo del transmisor molecular usado en el sistema de comunicacion molecular mostrado en la FIG. 7; y

La FIG. 12 i lustra un cu arto ejemplo del transmisor molecular usado en el sistema de comunicacion molecular mostrado en la FIG. 7.

Mejor modo para llevar a cabo la invencion

Las realizaciones preferidas de la invencion se describen ahora en conjuncion con los dibujos anexos.

De la FIG. 1 a la FIG. 6 ilustran un sistema de comunicacion molecular de acuerdo con la primera realizacion de la invencion. Enla primera realizacion, se estructura un canal de transmision artificial utilizando moleculas motor y moleculas riel en el sistema de comunicacion molecular.

La FIG. 1 es un diagrama esquematico que ilustra la idea basica del sistema de comunicacion molecular de la primera re alizacion. El si stema d e co municacion molecular 1 incluye un t ransmisor m olecular 20, un r eceptor molecular 30, y un canal de transmision molecular 10 que se extiende entre el transmisor molecular 20 y el receptor molecular 30. En el ejemplo ilustrado en la FIG. 1 (a), se disponen moleculas riel entre el transmisor molecular 20 y el receptor molecular 30 p ara definir el canal de transmision molecular 10A. Una molecula motor 16 porta una molecula de informacion 15 y se mueve a lo largo del riel hacia el receptor molecular 30.

Las moleculas riel 17 son microtubulos en este ejemplo. Pueden utilizarse quinesinas o dineinas como moleculas motor 16, dependiendo de la direccion del movimiento.

La direccion de movimiento de la molecula motor 16 esta determinada por la polaridad del microtubulo 17. Se sabe que la mayoria de las quinesinas se mueven hacia el extremo positivo del microtubulo 17 y las dineinas se mueven hacia el extremo negativo del microtubulo 17.

Para formar el canal de transmision molecular 10A con moleculas riel 17, se fijan microtubulos 17 sobre un sustrato de vidrio 11. Debido a que el microtubulo 17 tiene una afinidad insuficiente con una superficie de vidrio, se utilizan aminoacidos (Poli-L-Lisina: PLL) como adhesivo de union. Por ejemplo, una pelicula de resina (no mostrada) en la cual una ranura o surco define una ruta de transmision se forma y se coloca sobre el sustrato de vidrio 11,yla ranura se llena con PLL. Luego, se enjuaga el exceso de PLL yse retira la pelicula de la resina. Cuando una solucion de molecula riel (por ejemplo, solucion de microtubulos) se introduce sobre el sustrato de vidrio 11, las moleculas riel 17 se adhieren sobre las porciones recubiertas con PLL.

En contraste, en el ejemplo mostrado en la FIG. 1(b), las moleculas motor 16 estan dispuestas sobre el sustrato de vidrio 11 para formar un canal de transmision molecular 10B entre el transmisor molecular 20 y el receptor molecular

30. En esta disposicion, un microtubulo 17 (como ejemplo de la molecula riel) porta una molecula de informacion 15 a lo largo de la ruta de transmision formada por las moleculas motor 16.

Para formar el canal de transmision de molecula 10B, se coloca una pelicula de resina sobre el sustrato de vidrio 11 y esta patronizado mediante, por ejemplo, fotolitografia de tal manera que forme un patron de abertura que define una ruta. Las moleculas motor 16 se inyectan en el surco formado en la pelicula resistente y se adsorben sobre el sustrato de vidrio 11.

Los sistemas mostrados en la FIG. 1(a) y FIG. 1(b) son teoricamente equivalentes. En el ejemplo mostrado en la FIG. 1(a), una molecula motor 16 sirve como portador para portar la molecula de informacion 15, mientras que en el ejemplo mostrado en la FIG. 1(b) una molecula riel 17 sirve como portador. De acuerdo con lo anterior, la molecula motor 16 y la m olecula r iel 17 se de nominan co lectivamente co mo " molecula p ortadora 1 9" en l as siguientes descripciones.

En la FIG. 1(a) y FIG. 1(b), la molecula riel 17 no esta limitada a un microtubulo y puede ser un filamento de actina. En est e ca so, pu ede ut ilizarse m iosina co mo m olecula m otor, en l ugar de qui nesina o di neina. E l ca nal de transmision 10 no necesariamente esta fijo sobre el sustrato de vidrio 11, y pude utilizarse un canal similar a una fibra.

La F IG. 2 es un di agrama de bl oques esquematico del t ransmisor m olecular 20 ut ilizado e n el si stema d e comunicacion molecular mostrado en la FIG. 1. El transmisor molecular 20 produce y emite una molecula de informacion al canal de transmision 10. El transmisor molecular 20 tiene una unidad de suministro de moleculas 21, unidad que incluye al menosuno de un generador de moleculas 22 para generar internamente moleculas y un puerto de suministro de moleculas 23 para introducir moleculas externamente. Un reservorio de moleculas 24 almacena temporalmente las moleculas generadas por el generador de moleculas 22 o suministradas externamente a traves del puerto de suministro de moleculas 23. Un codificador deinformacion de moleculas 25 codifica la informacion que se va a transmitir en una molecula. Unprotector de informacion codificada 26 lleva a cabo un tratamiento de proteccion para proteger la molecula con informacion codificada frente al ambiente de propagacion. Un em isor d e m oleculas 27 em ite l a m olecula co dificada co n i nformacion ( protegida opc ionalmente) desd e el transmisor molecular 20 hasta el canal de transmision molecular 10.

La FIG. 3 es un diagrama de bloques especifico del receptor molecular 30 usado en el sistema de comunicacion molecular 1 mostrado en laFIG. 1. El receptor molecular 30 recibe la molecula de informacion enviada desde el transmisor m olecular 2 0 y d escodifica l a i nformacion. U na u nidad de r ecepcion de m oleculas 31 ca ptura las moleculas de informacion portadas a lo largo del canal detransmision molecular 10 y las lleva hacia el receptor molecular 30. Un desp rotector 32 r etira l a pel icula de pr oteccion si l a m olecula de i nformacion r ecibida est a protegida. Un descodificador 23 de informacion molecular descodifica o interpreta lainformacion codificada. Una unidad de procesamiento de moleculas 34 bien almacena o descompone las moleculas, y emite las moleculas (o las moleculas descompuestas) por fuera del receptor molecular 30.

Durante la operacion, se lleva a cabo la clonacion de ADN sobre las moleculas sobre el transmisor molecular 20. Las moleculas se almacenan en el reservorio de moleculas 24 o se suministran externamente a traves del puerto de suministro de moleculas 23, para darle combinacion de ADNs sinteticos o nativos para producir un ADN de cadena sencilla o doble que tiene una secuencia de bases que consiste de adeninas (A) guaninas (G) timinas (T) citosinas (C). La secuencia de bases representa la informacion que va a ser transmitida. Alternativamente, puede utilizarse un ADN de cadena sencilla o doble con una estructura especifica (tal como una estructura de horquilla o una estructura de comba) para representar la informacion que va a ser transmitida. Tal generacion o manipulacion de ADN puede llevarse a cabo sobre un microchip tal como se lleva a cabo en micro PCR (reaccion en cadena de polimerasa). Vease K. Sun, et al., "Fabrication and Evaluation of the All Transparent Micro-PCR Chip", Technical Report of IEICE, MBE 2003 -40, pag.1 - 4, July 2003.

Por ejemplo, se mapea una secuencia CGA a una letra "A", una secuencia CCA se mapea a "B" y una secuencia GTT se mapea a "C".

Alternativamente, una estructura de horquilla puede mapearse en datos digitales "0", y una estructura de comba puede mapearse en el digito "1".

Para producir informacion codificada, puede producirse una gran cantidad de ADN con diversas secuencias o configuraciones anticipadamente por fuera del transmisor molecular 20 utilizando una tecnica de recombinacion de ADN yalmacenarse en el reservorio de moleculas 24 a traves del puerto de suministro de moleculas 23. En este caso, los ADN dese ados que r epresentan i nformacion especifica q ue va a se r transmitida se se leccionan de l reservorio de moleculas 24 y se emiten al canal de transmision de moleculas 10.

La informacion que va a ser transmitida no esta limitada a la informacion analoga o digital producida artificialmente sino que incluye la informacion de la vida del ADN misma y/o un gen para tratamiento medico de celulas con trastornos.

Una molecula de informacion se produce utilizando el ADN con informacion codificada como seccion de datos y enlazando un ADN de cadena sencilla que se usa como enlace entre lamolecula de informacion y una molecula portadora, a la seccion de datos.

La FIG. 4 es un diagrama esquematico que ilustra los datos estructurados de una molecula de informacion (la cual es un ADN en este ejemplo). La molecula de informacion 15 tiene una seccion de enlazamiento 15a y una seccion de 15b que representa la informacion que va a ser transmitida. La seccion de enlazamiento 15a se utiliza para enlazar la molecula de informacion 15 a una molecula portadora (una molecula motor 16 o una molecula riel 17) que se mueve a lo largo del canal de transmision molecular 10 hacia el receptor molecular 30.

Con el fin de proteger la molecula de informacion 10 de los factores ambientales, tales como la temperatura, pH, enzimas de degradacion y resistencia ionica del canal de transmision molecular 10, o la luz que puede causar desnaturalizacion de las moleculas, a excepcion de datos 15b puede ser recubierta con una tapa de hidroxido doble (LDH) 18, cuya sustancia es un compuesto inorganico, en el protector de informacion codificado 26, como se ilustra en la FIG. 5. El recubrimiento con LDH puede llevarse a cabo tomando la cadena de ADN codificada entre capas de LDH para ser encapsulado. El proceso de tallado y el efecto del recubrimiento de LDH se describen en J. H. Choy, et al., "Inorganic-Biomolecular Hybrid Nanomaterials as a Genetic Molecular Code System," Advanced Material, 16, No. 14, pag. 1181 - 1184, Jul. 19, 2004.

La molecula de informacion generada y protegida (ADN, por ejemplo) 15 es emitida desde el trasmisor molecular 20 a traves del emisor molecular 27. La molecula de informacion 15 puede ser emitida de acuerdo con el tiempo de circulacion de la molecula portadora, utilizando una puerta que se puede abrir y cerrar (tal como un canal ionico) y un temporizador. La molecula de informacion emitida 15 permanece cerca al transmisor molecular 20, y se acopla con una molecula portadora 19 a t raves de hibridacion entre la seccion de enlazamiento 15a de lamolecula de informacion 15 y una secuencia de bases de ADN de doble cadena complementaria provista sobre la superficie de la molecula portadora 19. En esta operacion, el temporizador no es indispensable puesto que la molecula portadora 19 circula a lo largo del canal de trasmision 10, y porque lamolecula de informacion emitida 15 esta enlazada a la molecula portadora 19 despues de un cierto periodo de tiempo en cuanto la molecula de informacion 15 permanezca cerca del transmisor molecular 20.

La molecula portadora 19 circula a lo largo de la ruta de transmision definida por las moleculas riel 17 o las moleculas motor 16 fijadas sobre un sustrato 11 en una solucion que contiene trifosfato de adenosina (ATP). La rata de movimiento de la molecula portadora 19 es controlable ajustando la concentracion de ATP, la concentracion de ion magnesio, la temperatura y/o la resistencia por viscosidad de la solucion. Al hacer uso de esta posibilidad de ajuste, el ciclo de circulacion portadora 19 yel ciclo de emision de la molecula de informacion del transmisor molecular 20 pueden sincronizarse entre si.

En l ugar del mecanismo d e ci rculacion l as moleculas portadoras 19 pue den co locarse ce rca d el t ransmisor molecular 20 colocado en una solucion que no contiene ATP. Cuando la molecula de informacion 15 se enlaza a una molecula portadora 19, se agrega a la solucion con el fin de iniciar el transporte, una cantidad prescrita de ATP que permite que la molecula portadora 19 porte la molecula de informacion 15 hacia el receptor molecular 30. La molecula portadora 19 que porta l a m olecula de informacion 1 5 se mueve s obre l as moleculas riel 17 ( o l as moleculas motor 16) el canal de transmision molecular 10 formado sobre el sustrato 11 hacia el receptor molecular

30.

En el sector molecular 30, la unidad de recepcion molecular 31 aplica una enzima de restriccion a la molecula portadora 19 y la molecula de informacion 15 para cortar el duplex (doble cadena) que funciona como enlazamiento entre la molecula de informacion 15 y la molecula portadora 19, y lleva la molecula de informacion separada 15 hacia adentro del receptor molecular 30.

Si la seccion de datos 15b de la molecula de informacion 15 capturada en el receptor molecular 30 esta recubierta con LDH, el desprotector 32 retira el recubrimiento de LDH introduciendo la molecula de informacion 15 en una solucion con pH 3 o inferior. El metodo detallado para extraer el ADN del recubrimiento con LDH tambien esta descrito en J. H. Choy, et al.

Luego, el descodificador de informacion molecular 33 lee la secuencia de bases de la seccion de datos 15b de la molecula de informacion 15 para descodificar los datos. Un metodo general para leer la secuencia de bases es utilizar reaccion en cadena de polimerasa (PCR) y electroforesis en gel. La secuencia de bases tambien puede leerse det ectando l os cambios en l a co rriente el ectrica cu ando l os ADN pasan a t raves de l os poros nanodimensionados (nanoporos). Vease T. A. Goor, "Nanopore Detection: Threading DNA through a TinyHole," PharmaGenomics, pag. 28 -30, Marzo/Abril 2004.

En lugar de leer directamente la secuencia de bases, la informacion codificada puede interpretarse observando la reaccion bioquimica (tal como la generacion de proteinas) que se presenta con la aparicion del ADN llevado hacia el receptor molecular 30.

Cuando la informacion es descodificada o i nterpretada, se l leva ac abo a lgun ot ro pr oceso e n l a un idad d e procesamiento molecular 34. Para reciclar la molecula de informacion, esta se almacena en el reservorio 35. Para consumir la molecula de informacion, esta se descompone en la unidad de descomposicion 36. Para descargar la molecula de informacion hacia afuera, es emitida desde el receptor molecular 30 a traves de la unidad de descarga

37. A continuacion, se da una explicacion de una modificacion de la primera realizacion.

(Codificacion y descodificacion de la informacion)

En el ejemplo antes descrito, se utiliza un ADN como molecula de informacion 15, y la informacion se mapea a la secuencia de bases o a la estructura del ADN. Sin embargo, hay muchos otros metodos de codificacion que dependen del tipo de molecula utilizada como molecula de informacion.

Por ejemplo, es sabido que el azobenceno cambia su estructura desde la configuracion cis a configuracion trans por irradiacion de luz con longitud de onda de 380 nm, y que regresa de la configuracion trans a la configuracion cis por irradiacion con luz de longitud de onda de 450 nm (fotoisomerizacion). Existen otras varias moleculas que tienen actividad optica similar. El polisilano cambia la direccion de enrollamiento de la helice de derecha a izquierda y viceversa, bajo energia externa, tal como temperatura o la existencia de sustancias quimicas. Haciendo uso de estos fenomenos, la informacion puede ser codificada por mapeo de un estado a "0" y mapeo del otro estado a "1".

La existencia de varias decenas de miles de diversidades conformacionales de una proteina tambien es util para la codificacion. Por ejemplo, un cierto itemde informacion puede mapearse a un gr upo proteinico que define una familia con secuencias o con formaciones de aminoacidos muy similares. En este caso, si las moleculas de proteina se desnaturalizan ligeramente durante la transmision debido al cambio ambiental entre el transmisor molecular 20 y el receptor molecular 30, la informacion puede mantenerse sin perdidas indeseables en cuanto la presencia de desnaturalizacion este dentro del mismo grupo proteinico. Esta disposicion puede potenciar la tolerancia al ambiente en la codificacion de la informacion.

La informaciontambien puede codificarse haciendo uso de las conformaciones de las moleculas. Por ejemplo, puede usarse una variedad de nanoestructuras formadas por autoensamblaje de atomos metalicos y moleculas organicas. Es sabido que disenando apropiadamente el tipo, numeros y localizacion de los atomos de una molecula que esta siendo utilizada como componente de la estructura, puede sintetizarse con un rendimiento del 100% una nanoestructura complicada (tal como un cuadrado, un tetrahedro, un hexahedro, un octahedro, un tubo, una caja, un signo de infinito o un anillo de rompecabezas) que no existen en el mundo natural. De acuerdo con lo anterior, puede emplearse un metodo de codificacion para mapear informacion en tales nanoestructuras.

Cuando se emplea un metodo de codificacion que hace uso de las diversidades conformacionales de una molecula es necesario que el receptor lea las conformaciones, por ejemplo, analisis por resonancia magnetica nuclear (RMN)

o por rayos x.

Otro metodo posible es codificar informacion haciendo uso de la naturaleza de una estructura molecular, tal como polaridad, oscilacion o intensidad. Aun otro metodo es utilizar una variedad de tamanos de perlas de latex rellenas con nanocristales semiconductores (puntos de quantum) como moleculas de informacion. En este caso, la composicion de los puntos de quantum en las perlas se utiliza como codigo de informacion.

Cuando se utilizan perlas de puntos de quantum, la fluorescencia emitida desde los diversos tamanos de puntos de quantum en u na per la de l atex se obs ervan m ediante u n esp ectroscopio d e prisma par a ad quirir pat rones de espectro que tienen diferentes longitudes de onda e intensidades definidas por las composiciones de los puntos de quantum. Teoricamente, hay mil millones de patrones, y por lo tanto la informacion puede codificarse haciendo uso de los patrones espectrales.

Por otro lado, la existencia de una molecula por si misma puede ser informacion, deben llevar a cabo ninguna manipulacion especifica de la molecula. Por ejemplo, se sabe que una cierta sustancia quimica tal como una feromona, que afecta el sentimiento o el comportamiento de un destinatario (o un receptor) quien recibe la molecula. En este caso, la aparicion de la molecula por si misma trabaja como codigo, y la reaccion causada en el receptor es la descodificacion. Con respecto a la proteccion o encapsulacion de moleculas, pueden utilizarse vesiculos de membrana, diferentes al recubrimiento con LDH, para encapsular una molecula de i nformacion dentro de el las. Puesto qu e m uchas moleculas de i nformacion pu eden encapsularse en el m ismo vesiculo d e m embrana, l a informacion puede mapearse hasta la concentracion de las moleculas de informacion o la relacion de componentes de diferentes tipos de moleculas de informacion en el vesiculo de membrana. Una sustancia quimica, tal como una feromona, da un efecto mas fuerte a un receptor en cuanto la cantidad de moleculas recibidas se incrementa. Cuando las concentraciones o proporciones de los componentes de las moleculas se utilizan como codigos, el grado de reaccion causada en el receptor indica el resultado de la descodificacion. En lugar de vesiculas de membrana, puede utilizarse cualquier capsula molecular adecuada hecha de moleculas organicas o inorganicas para encapsular moleculas de informacion.

(Enlazamiento y separacion de moleculas de informacion y molecula portadora)

En el ejemplo previo, se utiliza ADN como la molecula de informacion 15, y la molecula de informacion es enlazada a la molecula portadora haciendo uso de la hibridizacion de ADN. Sin embargo, hay mucho otros metodos de enlazamiento dependiendo del tipo de moleculas usadas como moleculas de informacion.

Por ejemplo, puede enlazarse un r eceptor a la superficie de la molecula portadora 19 para capturar y portar la molecula de informacion 15 (tal como una molecula de proteina) emitida desde el trasmisor molecular 20 basado en su capacidad de reconocimiento de la molecula. Puesto que pueden sintetizarse artificialmente receptores hechos a la medida, puede transmitirse una variedad de moleculas de informacion utilizando moleculas portadoras. Ademas, puesto que un receptor tambien es susceptible de ser unido a la superficie de un vesiculo de membrana, la molecula de informacion 15 encapsulada en un vesiculo de membrana puede cargarse sobre una molecula portadora 19 proveyendo una molecula receptor-ligando a la molecula portadora 19. Puesto que pueden encapsularse diversos tipos de moleculas en el mismo vesiculo de membrana, es innecesario preparar diferentes tipos de receptores dependiendo de los tipos de molecula de informacion 15 cuando portan una variedad de moleculas de informacion

15. En este caso, el vesiculo de membrana corresponde a un sobre, y las moleculas de informacion 15 corresponden a una ca rta. El vesiculo de membrana no solamente protege las moleculas de informacion 15 de factores ambientales tales como luz, temperatura, pH, enzimas de degradacion o intensidad ionica del canal de transmision 10, que pueden desnaturalizar la molecula, sino que tambien oculta la propiedad de la molecula de informacion 15 de la molecula portadora 19 para conducir una transmision estable independientemente del tipo de moleculas de informacion 15.

Ademas, enlazando ciclodextrina o eter corona a la superficie de moleculas portadoras, pueden cargarse moleculas de i nformacion y se r por tadas por l as moleculas portadoras haciendo uso de l a ca pacidad d e i nclusion de l a molecula para buscar que una molecula o union encajen en el tamano de anillo. En este caso, la molecula de informacion 15 portada hacia el receptor molecular 30 puede ser descargada de la molecula portadora 19 mediante estimulacion externa, tal como irradiacion de luz.

En aun otro metodo, la molecula de informacion 15 emitida del transmisor molecular 20 puede enlazarse a la molecula portadora 19 fosforilando la molecula de informacion 15 utilizando una fosfoenzima. En el receptor molecular 30, la molecula de informacion 15 puede separarse de la molecula portadora 19 por desfosforilacion utilizando una desfosfoenzima.

(Suministro de informacion de direccion)

Los ejemplos previos han sido descritos sobre la suposicion de que se usa un receptor molecular sencillo 30. La primera realizacion es aplicable a un sistema de comunicacion molecular mas avanzado que involucra multiples receptores moleculares 30 que tienen receptores diferentes.

En este caso, cada uno de los receptores moleculares 30 tiene un receptor diferente, y el transmisor molecular 20 emite una molecula que trabaja como ligando para cualquiera de los receptores. El ligando sale desde el receptor 20 es enlazado a una molecula portadora 19, y despues de la propagacion, la molecula 19 es capturada por el receptor molecular asociado 30 que tiene un receptor correspondiente al ligando. Enlazando una molecula de ligando que representa la informacion de direccion, junto con la molecula de informacion 15, a una molecula portadora 19, la molecula de informacion puede transmitirse a un receptor molecular especifico 30 de una forma confiable entre los multiples receptores moleculares 30.

(Aplicaciones)

(1)

Transmision de informacion de gran volumen

Cuando s e ut iliza A DN co mo m oleculas de i nformacion, pue de t ransmitirse un gran vo lumen de i nformacion utilizando una molecula individual.

(2)

Transporte del combustible

Utilizando hidrogeno como molecula de informacion, puede alcanzarse el suministro de energia a una bateria de combustible. Transmitiendo protones (iones hidrogeno) como moleculas de informacion, se alcanza el suministro de energia a un motor rotatorio molecular.

(3)

Trasmision de seudosustancias

Trasmitiendo sustancias necesarias minimas, tales como enzimas o ADN, como moleculas de informacion, puede generarse una reaccion bioquimica como el autoensamblaje en el lado del receptor para producir la misma sustancia que en el lado del transmisor.

(4)

�-TAS (Micro Total Analysis System)/Lab-on-a-Chip

El sistema micro-TAS o Lab-on-a-Chip en el cual se integran componentes microscopicos, tales como bombas, valvulas, se nsores o r eactores sobre un ch ip de t al f orma que pue da l levarse a ca bo un an alisis o si ntesis bioquimicos sobre el chip. En esta aplicacion, pueden transmitirse diversos tipos de muestras y agentes quimicos (reactivos) como moleculas de informacion a los componentes respectivos.

(5)

Ordenador molecular

Las moleculas de informacion tales como enzimas pueden transmitirse como senales de entrada/salida o senales de control a diversos dispositivos de computacion hechos de moleculas, tales como transistores moleculares, puertas moleculares logicas, o memorias moleculares.

(6)

Comunicaciones y control de nanomaquinas

La estructura antes descrita es adecuadamente aplicada a comunicaciones entre dispositivos a nanoescala que no permiten el uso de ondas electromagneticas debido a la capacidad limitada o a razones ambientales.Tambien es aplicable p ara el co ntrol operacional de nanomaquinas que n o pu eden se r estructuradas o m anejadas por dispositivos electronicos.

A continuacion, se describe la segunda realizacion del sistema de comunicacion molecular en conjuncion con la FIG. 7 hasta la FIG. 12. Enla segunda realizacion, el canal de transmision puede ser estructurado como una ruta de senalizacion molecular in vivo, tal como un vaso sanguineo o un vaso linfatico.

La FIG. 7 es un diagrama esquematico de un sistema de comunicacion molecular 2 de acuerdo con la segunda realizacion. El sistema de comunicacion molecular 2 incluye un trasmisor molecular 60, un receptor molecular 70, y un canal de transmision molecular 50 que se extiende entre el transmisor molecular 60 y el receptor molecular 70. El transmisor molecular 60 y el receptor molecular 70. El transmisor molecular 60 codifica informacionen moleculas para generar moleculas de informacion 55 y produce las moleculas de informacion 55, junto con las moleculas marcadas 56 que si rven co mo i ndicadores de l a di reccion. Las moleculas de i nformacion 55 y l as moleculas marcadas 56 se transmiten a traves del canal de transmision molecular 50 al receptor molecular 70. El receptor molecular 70 recibe las moleculas de informacion 55 y las moleculas marcadas 56, y descodifican la informacion de las moleculas 55.

El t rasmisor molecular 60 se cr ea generando ce lulas m utantes alteradas y pr oveyendo u na capacidad d e codificacion de informacion de manera que produzcan y emitan moleculas de informacion codificadas 55 y moleculas marcadas 56. Alternativamente, el trasmisor molecular 60 puede producirse artificialmente utilizando componentes mecanicos e inorganicos. Las moleculas para codificacion de informacion de las moleculas marcadas no necesariamente se pr oducen dent ro del transmisor m olecular 60, y en l ugar d e el lo, p ueden almacenarse anticipadamente en el transmisor molecular 60 de una forma artificial. Es suficiente que el transmisor molecular 60 tenga a l m enos la capacidad de co dificar i nformacion en m oleculas y pr oducir l as m oleculas con i nformacion codificada.

Las moleculas m arcadas 56 so n, por ej emplo, hor monas neurotransmisoras, y s e r eciben se lectivamente en receptores especificos. Las moleculas que se van a codificar son moleculas vivas tales como proteinas o ADN. En cuanto a la estructura molecular, cada una de las moleculas utilizadas en la codificacion de informacion tiene un sitio de enlazamiento capaz de conectarse a si mismo con una molecula marcada localizada en la cercania. Los detalles del metodo de codificacion se describen mas abajo.

El canal de transmision molecular 50 esta en una ruta de senalizacion molecular in vivo tal como un vaso sanguineo

o un vaso linfatico, a traves de los cuales se transmiten pares de moleculas de informacion 55 y moleculas marcadas 56 desde el transmisor molecular 60 al receptor molecular 70. Cualquier canal adecuado, diferente a un va so sanguineo o a un va so linfatico, puede utilizarse como canal de transmision molecular50 en tanto los pares de moleculas de informacion 55 ylas moleculas marcadas 56 sean transportados. Por ejemplo, puede utilizarse una ruta de secrecion arbitraria, o una ruta de flujo artificial junto con la cual se muevan las moleculas motor que sirven como moleculas portadoras como en la primera realizacion.

El receptor molecular 70 es, por ejemplo, una celula viva que tiene un receptor para recibir la molecula marcada 56,

o una celula artificial producida por la alteracion de la celula viva. El receptormolecular 70 lleva hacia adentro la combinacion de la molecula de informacion 55 en la molecula marcada 56 y descodifica la informacion codificada en la molecula de informacion 55. Ejemplos del metodo de descodificacion y del metodo de codificacion se describen mas abajo. Debe notarse que el receptor molecular 70 no esta limitado a una celula viva o a una celula artificial derivada d e l a ce lula vi va, si no que i ncluye un r eceptor ar tificial e structurado p or co mponentes mecanicos inorganicos. En cualquier caso, tal celula tiene un receptor para recibir la molecula marcada 56, y una funcion para descodificar la informacion codificada en la molecula de informacion 55.

Uno de los metodos de codificacion mas simple empleados en el transmisor molecular 60 es mapear la molecula A y la molecula B al codigo "0"y codigo "1",respectivamente, ytrasmitir una de l as moleculas dependiendo de la informacion. La molecula A y la molecula B pueden ser totalmente diferentes una de otra, o alternativamente, la molecula B puede ser producida causando una cierta reaccion quimica (tal como fosforilacion o ubiquitinacion) en la molecula A para cambiar la propiedad de la molecula. Cuando el transmisor molecular 60 se forma a partir de una celula viva o de una celula mutante derivada de la celula viva, las moleculas de senalizacion emitidas desde la celula viva p ueden s er ut ilizadas selectivamente como m olecula A o m olecula B . E n este ca so, l as m oleculas de informacion pueden ser expedidas desde el transmisor molecular 60 simplemente produciendo y seleccionando las moleculas de senalizacion. Si el transmisor molecular 60 esta estructurado por componentes mecanicos, puede utilizarse una puerta de apertura/cierre basada en un reloj para controlar la emision de moleculas de informacion sincronizada con la generacion y codificacion de las moleculas. Si la molecula de informacion no tiene que ser transmitida inmediatamente despues de la generacion y la codificacion de las moleculas, es innecesario mantener la sincronizacion entre la generacion de las moleculas de informacion y la emision de las moleculas de informacion. En este caso, puede utilizarse una puerta de apertura/cierre con temporizacion constante en el transmisor molecular con una estructura mas simple.

En la descodificacion en el receptor molecular 70, se proporcionan dos tipos de receptores al receptor molecular de tal manera que correspondan con las moleculas de informacion A y B, respectivamente, y se determina que receptor recibe la molecula de informacion transmitida para descodificar la informacion. La determinacion puede tomarse monitorizado y midiendo el efecto causado en el receptor molecular 70 como resultado de la recepcion de la molecula de informacion en el receptor. Tal reaccion incluye, por ejemplo, cambios en la configuracion del receptor molecular, y emision de una sustancia quimica debida a la recepcion de la molecula de informacion. En lugar de los datos digitales "0" y "1", el efecto o la reaccion causados en el receptor molecular mismo puede utilizarse como informacion para se r t ransmitidos. E n es te ca so, l a g eneracion de u na m olecula q ue t enga u n ci erto t ipo de capacidad de producir reacciones corresponde con la codificacion de la informacion en el transmisor molecular 60, y la presencia de una reaccion deseada en el receptor molecular 70 corresponde a la descodificacion de la informacion. En esta disposicion, el efecto deseado por si mismo puede ser que la informacion sea transmitida. Tal transmisor molecular puede realizarse alterando geneticamente una celula eucariota o haciendo uso de una celula mutante su sceptible d e l a estimulacion e xterna ca paz de E NCENDER/APAGAR el co ntrol de la em ision d e moleculas o cambiar el tipo y/o concentracion de moleculasque se emiten de acuerdo con la estimulacion externa, tal como cambios en la temperatura o irradiacion de luz. El receptor molecular se realiza haciendo uso de una celula viva por si misma.

Otro ejemplo del metodo de codificacion y descodificacion es hacer uso de un tipo arbitrario de diaz apentafen que tiene bien sea una helice hacia mano derecha o una helice hacia mano izquierda, como molecula de informacion. En este caso, la helice hacia mano derecha y la helice hacia mano izquierda pueden mapearse en informacion "0" y "1", respectivamente. Controlandola direccion de la helice de cuerdo con la informacion que se va a transmitir, puede realizarse la codificacion de informacion. Puesto que la informacion de la helice de este tipo de molecula puede controlarse utilizando luz polarizada circularmente, la codificacion de lainformacion puede alcanzarse irradiando bien sea luz polarizada circularmente hacia la derecha o luz polarizada circularmente hacia la izquierda. Los detalles del control de la direccion de la helice por irradiacion de luz polarizada circularmente se describen en TANAKA, Yasutaka, "Study for Synthesis and Physical Property of New Optically-Active Aromatic Molecule Seeking Molecular Memory", Shizuoka University Venture Business Laboratory Research and Development Project Report, 2000.

Tambien es sabido que la direccion de la helice puede leerse utilizando espectro dicroico circular, y por lo tanto, este fenomeno puede utilizarse para descodificar informacion en el receptor molecular 70. Debe notarse que las tecnicas de codificacion y de descodificacion utilizando luz o espectro circularmente polarizados pueden aplicarse a un transmisor o r eceptor m olecular est ructurado m ecanicamente, per o l a aplicabilidad a un t ransmisor o r eceptor derivado de una celula viva es baja debido a la dificultad de general luz o espectro polarizado circularmente.

En lugar de la codificacion o descodificacion de la informacion haciendo uso de la existencia o la estructura de las moleculas por si mismas, pueden emplearse metodos de codificacion y descodificacion arbitrarios. Por ejemplo, puede utilizarse ADN como molecula que se va a codificar para representar informacion codificada por medio de la secuencia de bases, tal como se describe en la primera realizacion. Alternativamente, pueden utilizarse un aminoacido como molecula para ser codificada por medio de una se cuencia de aminoacidos, tal como se describe en la solicitud de Patente Japonesa de Publicacion Abierta No. 2003-101485. Ciertos tipos de proteina o ADN estan sometidos a degradacion enzimatica en la sangre, y en este caso, puede ser deseable utilizar unaruta de flujo diferente a un vaso sanguineo para el canal de transmision molecular 50. Sin embargo, encapsulando el ADN recubriendo con LDH o otrosmetodos adecuados como en la primera realizacion, o protegiendo las moleculas de informacion mediante vesiculos de membrana, estas moleculas de informacion pueden transmitirse a traves de un vaso sanguineo.

En lugar de codificar la informacion en una molecula individual, la informacion codificada puede ser representada por la concentracion de moleculas utilizando moleculas multiples. Por ejemplo, utilizando un total de cien (100) moleculas A y B, la existencia de 70% o mas de moleculas A representa informacion "0", mientras que la existencia de 70% o mas de moleculas B representa informacion "1". Esta disposicion es ventajosa porque incluso si algunas de las moleculas pierden su propiedad a reacciones quimicas o enlazamiento con otras moleculas en el canal de transmision molecular 50, la informacion puede ser descodificada en el receptor molecular 70 en tanto al menos un numero prescrito de moleculas alcancen el receptor molecular 70. En otras palabras, un error de informacion debido a l a i nfluencia del ca nal de t ransmision m olecular 50 pue de r educirse. S i, en el receptor m olecular 70, l as concentraciones de ambas moleculas A y moleculas B son menores de 70%, este hecho puede ser utilizado como un error de informacion. En este caso, puede enviarse una r equisicion de retransmision para las moleculas de informacion d esde el r eceptor m olecular 7 al t ransmisor m olecular 60 par a m ejorar l a co nfiabilidad de l a comunicacion. Este tipo de transmisor molecular puede realizarse utilizando una celula mutante susceptible de estimulacion externa descrita mas arriba capaz de conmutar la emision de la molecula A y la molecula B de acuerdo con la estimulacion externa (tal como cambio de temperatura o irradiacion de luz), y ajustando la cantidad de nutriente para controlar la cantidad total de moleculas que se van a generar.

El mecanismo de proteccion molecular para la encapsulacion de moleculas en un vesiculo de membrana descrito en la primera realizacion tambien puede utilizarse para mapear informacion hasta una concentracion de las moleculas o composicion de diferentes tipos de moleculas en el vesiculo de membrana. Esta disposicion es ventajosa porque la rata de error de informacion se reduce enormemente debido a la proteccion de las moleculas de informacion en el vesiculo de membrana. La informacion puede descodificarse monitorizando o midiendo la intensidad del efecto causado en el receptor molecular 70, tal como se describio en la primera realizacion.En lugar de mapear la informacion a senales digitales "0" y "1", pueden utilizarse el tipo e intensidad de reaccion que va a ser causada en el receptor molecular 70 como informacion. En este caso, las moleculas inductoras de reaccion se generan en el transmisor molecular 60, yla codificacion de la informacion se lleva a cabo encapsulando las moleculas a una concentracion o co mposicion prescritas de tal manera que produzcan una r eaccion deseada en u na intensidad deseada. La descodificacion de la informacion es un efecto de la reaccion deseada en la intensidad deseada en el sector molecular 70. Para encapsular las moleculas de informacion a una concentracion o composicion deseada, el fenomeno de que la concentracion o composicion de las moleculas de informacion en un vesiculo de membrana es el mismo que el que hay en el ambiente cuando se produce el vesiculo de membrana que puede ser utilizado. De acuerdo con lo anterior, antes de producir el vesiculo de membrana, la concentracion o l a composicion de las moleculas de informacion dentro del transmisor molecular 60 se define a un nivel deseado controlando la cantidad de moleculas que se van a generar.

Las operaciones yla estructura del sistema de comunicacion molecular 2 ilustrado en la FIG. 7 se describen ahora con base en un ejemplo de codificacion y descodificacion de informacion haciendo uso de la concentracion de las moleculas de informacion 55.

La FIG. 8 ilustra el primer ejemplo del transmisor molecular 60 mostrado en la FIG. 7. El transmisor molecular 60 tiene un generador de moleculas marcadas 61, un generadorde moleculas de informacion 62, un codificador de moleculas de informacion 65, y un emisor de moleculas 67. El generador molecular marcado 61 genera moleculas marcadas 56, tales como hormonas o neurotransmisores. Este componente corresponde al ribosoma en una celula viva. El generador de moleculas de informacion 62 produce moleculas, tales como proteinas, que van a ser codificadas, y este componente tambien corresponde con el ribosoma de una celula viva. Para discriminar entre la generacion de moleculas que se van a codificar y la generacion de moleculas marcadas, el generador de moleculas 62 se denomina un "generador de moleculas de informacion 62" en busqueda de la conveniencia.

Si las moleculas que se van a co dificar se almacenan anticipadamente, en ve z de producirlas en el transmisor molecular 60, puede emplearse la estructura mostrada en la FIG. 9. En este caso, el transmisor molecular 60 tiene un almacenamiento de moleculas marcadas 64 y un almacenamiento de moleculas de informacion 66, en lugar del generador de moleculas marcadas 61 y el generador de moleculas de informacion 62, respectivamente. Tanto el generador de m oleculas de informacion 62 como el almacenamiento de moleculas de informacion 66 sirven como fuente de suministro de moleculas en terminos de moleculas suministradas para codificacion.

El codificador de moleculas de informacion 65 codifica la informacion en las moleculas producidas o almacenadas para generar moleculas de informacion 55. Las moleculas de informacion 55 se emiten, junto con las moleculas marcadas 56, desde el emisor molecular 67.

Se asume que el transmisor molecular 60 se implanta cerca del pancreas de un cuerpo vivo, y que informacion biologica, tal como temperatura o viscosidad de un fluido corporal, adquirida por un sensor (no mostrado) conectado al transmisor molecular 60 es transmitida constantemente a un receptor molecular 70 implantado cerca del higado del cuerpo vivo. Para transmitir la informacion recolectada por el sensor al receptor molecular 70, el generador de moleculas marcadas 61 d isparado por l a entrada de informacion d esde el se nsor p ara ge nerar i nsulina como molecula marcada, molecula que es una hormona que tiene como objetivo la celula del higado.

Por otro lado, el generador de moleculas de informacion 62 (o del almacenamiento de moleculas de informacion 66) es activado por la entrada de informacion desde el sensor para generar moleculas de proteina (moleculas A) que tienen una estructura combinable con insulina, y las produce como moleculas que van a ser codificadas.

Se asu me q ue, co n base e n l a informacion d el s ensor, se pr oducen cien m oleculas marcadas (moleculas de insulina) y cien moleculas A usadas para generar moleculas de informacion, y que la informacion detectada por el sensor es la temperatura. Si la temperatura detectada es superior a 36.5�C, esa informacion se mapea como "0", y si la temperatura esta en o p or debajo de 36.5�C, la informacion se mapea como "1". Cuando se mapea en "0", el porcentaje de moleculas A fosforiladas se define en o por encima de 70%, y para un mapeo en "1", el porcentaje de moleculas ubiquitinadas A se establece en o por encima de 70%. Si la temperatura detectada es 36�C en codificador de informacion de moleculas 65 aplica ubiquitina a las moleculas A para ubiquitinar la mayor parte de las moleculas A para producir el codigo "1". El umbral se define en 70% porque la ubiquitina puede no actuar sobre una porcion de las moleculas A.

La insulina generada que sirve como moleculas marcadas y las moleculas de informacion codificadas A se emiten desde el emisor molecular 67. Debido a que la molecula A tiene un sitio facil de combinar con la insulina, la insulina y las moleculas A pueden combinarse una con otra antes de que sean emitidas desde el emisor molecular 67. Desde luego, la combinacion de insulina y una molecula A puede formarse despues de la emision desde el trasmisor molecular 60, dependiendo de la situacion. Se desea disenar las moleculas de informacion A de tal manera que el sitio de enlazamiento con las moleculas marcadas no se afecte adversamente por el proceso de codificacion a traves del la fosforilacion o ubiquitinacion de tal forma que no se evite el enlazamiento entre la molecula marcada y la molecula de informacion.

La insulina se enlaza a las moleculas A en un sitio diferente del sitio utilizado para combinarse con el receptor molecular 70 (o su receptor). El sistema tambien esta disenado de tal forma que el sitio de enlazamiento entre las moleculas de informacion A y la insulina no afecta el resto de la parte para evitar la situacion donde la insulina pueda no ser recibida en el receptor molecular 70.

La produccion de moleculas (esto es, combinacion de moleculas de informacion A e insulina) a partir del transmisor molecular 60 se transfiere a traves de los vasos sanguineos, lo que es una ruta de flujo de senal in vivo a la celulas objetivo que tiene un receptor de insulina y estan localizadas cerca del higado. Puede agregarse un anticuerpo antiinsulina a las moleculas de informacion A antes de ser producidas a partir del emisor de m oleculas 67 del transmisor molecular 60 para proteger la molecula de informacion A de la degradacion u otras influencias en el canal de transmision molecular 50.

La FIG. 10 ilustra un ejemplo del receptor molecular 70 utilizado en sistema de comunicacion molecular 2 mostrado en la FIG. 7. El receptor molecular 70 tiene una unidad de recepcion de moleculas marcadas 71 y un descodificador de informacion molecular 72. La unidad de recepcion de moleculas marcadas 71 recibe una molecula marcada combinada con la molecula de informacion. Este componente corresponde con el receptor de una celula viva y se enlaza se lectivamente a u na m olecula marcada esp ecifica. E l des codificador de i nformacion molecular 7 2 descodifica la informacion codificada en la molecula de informacion. Cuando la codificacion de la informacion se lleva a cabo sobre una proteina a traves de una reaccion quimica, tal como fosforilacion o ubiquinacion, la informacion se descodifica monitorizando el efecto causado por la proteina que ha reaccionado quimicamente en el receptor molecular 70.

En el ejemplo antes descrito, la unidad receptora de moleculas marcadas 71 del receptor molecular 70 es un receptor de insulina, y la molecula marcada (insulina) es combinada con la molecula de informacion y trasmitida a traves del canal de transmision molecular 50 y es capturada por la unidad receptora de molecula marcada 71, y por lo tanto, la molecula de informacion A es recibida en el receptor molecular 70. Cuando la insulina es capturada por la unidad receptora de molecula marcada 71, el receptor molecular 70 lleva la combinacion de la insulina y la molecula de informacion A hacia adentro por medio de endocitosis mediada por el receptor. Para mas informacion acerca de la en docitosis m ediada p or r eceptor ve ase YONEDA, Yo shihiro, "Getting i nto I ntracellular Transport", I SBN: 4897069963, Yodosha Co., Ltd. at pag. 45 -53. La molecula de informacion llevada dentro del receptor molecular 70 se descodifica en el descodificador de informacion molecular 72.

En el ejemplo antes descrito, se utiliza insulina como molecula marcada 56 porque la molecula de informacion 55 esta dirigida al receptor molecular 70 localizado cerca del higado. Si la molecula de informacion 55 se dirige a un receptor molecular 70 implantado cerca del higado la aldosterona, que es una hormona que actua sobre el rinon, puede ut ilizarse co mo m olecula m arcada 56. S eleccionando m oleculas marcadas apropiadas dependiendo d el destino, las moleculas con informacion codificada pueden transmitirse a la direccion deseada utilizando la ruta de senalizacion molecular in vivo. Esta disposicion no esta limitada a l a aplicacion del sistema de se nalizacion de moleculas in vivo, sino que tambien se aplica a la ruta de flujo disenada artificialmente descrita en la primera realizacion. En este ultimo caso, los receptores moleculares que tienen diferentes tipos de receptores se colocan dependiendo de las destinaciones para permitir que las moleculas de informacion sean transportadas a la direccion deseada.

Aunque en el ejemplo antes descrito la informacion adquirida por los sensores transmitida a una direccion objetivo, el sistema de comunicacion 2 de la segunda realizacion puede aplicarse para administrar moleculas medicinales a una direccion deseada. En este caso, las moleculas medicinales son moleculas de informacion 55, la codificacion de la i nformacion se hace act ivando l as moleculas medicinales de t al manera que s ean r eactivas en el r eceptor molecular 70, y la descodificacion es la efectividad del farmaco en el receptor molecular 70.

En el ejemplo antes descrito, tanto las moleculas marcadas 56 como las moleculas de informacion 55 se generan en el mismo transmisor molecular 60. Esta disposicion puede modificarse a la estructura mostrada en la FIG. 11, en la cual el transmisor 60 comprende un primer transmisor molecular 60a para generar y emitir moleculas marcadas 56, y un segundo transmisor molecular 60b para generar y emitir moleculas de informacion 55. En este caso, el primer transmisor molecular 60a puede ser una celula viva existente en un cuerpo vivo, y el segundo transmisor molecular 60b puede ser implantado cerca del primer transmisor molecular 60a.

Como se ilustra en la FIG. 11(a), el segundo transmisor molecular 60b tiene un detector de moleculas marcadas 68, ademas del generador de moleculas de informacion 62, del codificador de informacion molecular 65 y del emisor molecular 67b. El detector de moleculas marcadas 68 es, por ejemplo, un receptor para la molecula marcada 56, y detecta la emision de la molecula marcada 56 recibiendo una porcion de la molecula 56 producida desde el primer transmisor molecular (celula viva) 60a. Al detectar la emision (secrecion) de la molecula marcada 56, el detector de molecula marcada 68 instruye al generador de informacion de molecula 62 para producir moleculas que van a ser codificadas. Le codificador de informacion de moleculas 65 codifica la informacion en las moleculas producidas y el emisor de moleculas 67b produce las moleculas de informacion 55.

Alternativamente, en lugar de generar moleculas de informacion despues de la deteccion de la emision de moleculas marcadas 56, las moleculas de informacion 55 pueden generarse y almacenarse anticipadamente en el transmisor molecular 60b. En este caso, el detector de moleculas marcadas 68 instruye al emisor molecular 67b para emitir inmediatamente las moleculas de informacion 55 al detectar la emision de las moleculas marcadas 56, tal como se indica por la flecha punteada en formada de L en la FIG. 11(a). Para alcanzar esto, cuando se usa una celula viva o una celula mutante derivada de la celula viva como transmisor molecular 60, el detector de molecula marcada 68 transmite iones de calcio al emisor molecular 67b como senal, por deteccion de secrecion hormonal. Los iones calcio se usan generalmente en celulas in vivo para emitir moleculas. La deteccion de la secrecion hormonal en el detector de moleculas marcadas 68 puede lograrse haciendo uso de un receptor para la hormona secretada. La captura de una hormona secretada en el receptor inicia la transmision de los iones de calcio hacia el emisor molecular 67b. Este mecanismo puede realizarse haciendo uso de un receptor quimerico que permite un amplio rango de combinaciones entre moleculas marcadas y acciones causadas por la recepcion de las moleculas marcadas en el receptor. Para mas informacion a cerca del receptor quimerico, vease M. Kawahara, et al., "Selection of genetically modified cell population u sing hapten-specific antibody/receptor chimera," B iochemical and B iophysical R esearch Communications, "vol. 315, pag. 132 -138, Feb. 2004. Cuando los iones de calcio actuan sobre el emisor molecular 67b, la exsocitosis que es un mecanismo de liberacion molecular se promueve en el emisor molecular 67b.

Cualquiera de las estructuras antes descritas, el segundo transmisor molecular 60b emite moleculas de informacion 55 sincronizadas con la temporizacion de emision de le molecula marcada 56 desde el primer transmisor molecular (celula viva) 60a, y transmite las combinaciones de las moleculas marcadas 56 y las moleculas de informacion 55 junto con el canal de transmision molecular 50, tal como se ilustra en la FIG. 11(b).

La FIG. 12 ilustra aun otro ejemplo 3. En este ejemplo, cuando se emiten moleculas de informacion 55, el segundo transmisor molecular 60b instruye al primer transmisor molecular (celula viva) 60a para emitir moleculas marcadas 56, como se ilustra en la FIG. 12(b).

El segundo transmisor molecular 60b tiene una unidad de inicio de la emision de moleculas marcadas 69, ademas del generador de moleculas de informacion 62, el codificador de informacion molecular 65 y el emisor molecular 67b. Si las moleculas marcadas 56 emitidas desde el primer transmisor molecular (celula viva) 60a son hormonas, la unidad de inicio de emision de moleculas marcadas 69 produce hormonas que estimulan la secrecion hormonal hacia el primer transmisor molecular 60a.

Cuando el transmisor molecular 60 esta estructurado como un conjunto de transmisoresmoleculares, tal como se ilustra en las FIG. 11 y FIG. 12, la probabilidad de enlazamiento entre las moleculas 56 marcadas y las moleculas de informacion 55 puede disminuirse, en comparacion con la generacion tanto de molecula marcada 56 como de molecula de informacion 55 en un transmisor molecular simple. Sin embargo, esto no lleva a un problema serio porque se as egura un ci erto ni vel d e pr obabilidad de enl azamiento. E l pr oblema debi do al d escenso e n l a probabilidad d e enlazamiento t ambien p uede evi tarse d isminuyendo e l um bral de d escodificacion ( a 60% , por ejemplo) del receptor molecular 70. En los ejemplos mostrados en la FIG. 11 y la FIG. 12, puede usarse una celula viva alterada artificialmente o un dispositivo estructurado mecanicamente como transmisor molecular 60a, en lugar de una celula viva, en cuanto las funciones del transmisor 60a sean ejecutadas.

De acuerdo con la primera y segunda realizaciones de lainvencion, un sistema de comunicacion molecular con buena capacidad de control de transmision de informacion puede lograrse con un amplio rango de aplicaciones para transmision de datos in vivo al cual no puede aplicarse un sistema de comunicacion convencional o para comunicacion entre un transmisor receptor a escala molecular.

Puesto que el sistema de comunicacion molecular es conducido y operado por energias quimicas para codificar y transmitir l a informacion e n m oleculas a n anoescala, el co nsumo de en ergia se r educe gr andemente en comparacion co n l os sistemas de co municacion co nvencionales, m ientras que l a d ensidad d e i nformacion se incrementa grandemente.

Ademas, los fenomenos o estados bioquimicos que ocurren en el lado de la transmision pueden ser transmitidos a y reproducidos en el lado del receptor utilizando moleculas, a diferencia de los sistemas de comunicacion convencionales, y puede proveerse una forma novedosa de comunicacion basada en una reaccion bioquimica.

Esta solicitud internacional reivindica el beneficio de la fecha de prioridad de la Solicitud Japonesa de Patente No. 2005-063105 presentada el 7 de marzo de 2005.

Lista de simbolos de referencia

1, 2: sistema de comunicacion molecular

10, 50: canal de transmision molecular

11: sustrato 15, 55: molecula de informacion

16: molecula motor

17: molecula riel

18: LDH

19: molecula portadora 20, 60: transmisor molecular

21: unidad de suministro de moleculas

22: generador molecular

23: puerto de suministro de moleculas 24, 35: reservorio de moleculas 25, 65: codificacion de informacion molecular

26: protector de informacion codificada 27, 67: emisor de moleculas 30, 70: receptor molecular

31: unidad de recepcion molecular

32: desprotector 33, 72: descodificador de informacion molecular

34: unidad de procesamiento de moleculas

36: unidad de descomposicion de moleculas

37: unidad de descarga

56: molecula marcada

61: generador de molecula marcada

62: generador de molecula de informacion

64: almacenamiento de moleculas marcadas

66: almacenamiento de moleculas de informacion

68: detector de moleculas marcadas

69: unidad disparada de la emision de moleculas marcadas

71: unidad receptora de moleculas marcadas

Claims (17)

1. REIVINDICACIONES

   1.Un sistema de comunicacion molecular (1) caracterizado por:

   un transmisor molecular (20) para transmitir una molecula de informacion (15) en la cual se codifica informacion prescrita;

   un receptor molecular (30) para recibir la molecula de informacion; y

   un canal de transmision molecular (10) que se extiende entre el transmisor molecular y el receptor molecular,

   donde el c anal de t ransmision m olecular i ncluye una r uta de t ransmision ( 16, 17) f ormada de m ateriales macromoleculares y una molecula portadora (17, 16) que se mueve en una direccion prescrita a lo largo de la ruta de transmision, y la molecula de informacion es portada sobre la molecula portadoray transportada al receptor molecular.

2. 2.

   El sistema de comunicacion molecular de la reivindicacion 1, donde la ruta de transmision esta formada de moleculas riel (17), la molecula portadora es una molecula motor (16) y lamolecula de informacion (15) es portada sobre la molecula motor y transportada al receptor molecular.

3. 3.

   El sistema de comunicacion molecular de la reivindicacion 1, donde la ruta de transmision esta formada de moleculas motor (16), la molecula portadora es una molecula riel (17) y la molecula de informacion (15) es portada sobre la molecula riel y transportada al receptor molecular.

4. 4.

   El sistema de comunicacion molecular de la reivindicacion 1, donde el receptor molecular comprende:

   una unidad r eceptora de m oleculas (31) configurada p ara r ecibir l a molecula de i nformacion p ortada so bre l a molecula portadora y separar la molecula de informacion de la molecula portadora; y

   un decodificador (33) configurado para descodificar la molecula de informacion separada.

5. 5.

   El sistema de comunicacion molecular de la reivindicacion 1, donde la ruta de transmision esta colocada en una solucion que tiene trifosfato de adenosina (ATP) y una velocidad de movimiento dela molecula portadora es controlable ca mbiando al m enos uno d e ent re l a co ncentracion d e A TP, co ncentracion d el i on m agnesio, temperatura de la solucion y resistencia por viscosidad.

6. 6.

   El sistema de comunicacion molecular de la reivindicacion 1, donde la molecula de informacion transmitida desde el t ransmisor molecular t iene i nformacion codificada ut ilizando un t ipo, una co ncentracion, una co mposicion, o cualquier combinacion de los mismos, y la informacion se descodifica en el receptor molecular de acuerdo con el tipo

   o intensidad de reaccion causados por la molecula de informacion.

7. 7.

   El sistema de comunicacion molecular de la reivindicacion 1, donde la molecula de informacion es encapsulada por una sustancia capaz de encapsular la molecula de informacion y esta protegida de un factor ambiental que desnaturaliza la molecula de informacion que esta siendo transmitida a traves del canal de transmision molecular, y una propiedad de la molecula de informacion esta oculta con respecto a la molecula portadora.

8. 8.

   El sistema de comunicacion molecular de la reivindicacion 1, donde la molecula de informacion tiene una seccion de enlazamiento comprendida de una secuencia de bases de ADN de cadena sencilla, y

   donde la molecula portadora tiene una secuencia de bases de ADN de cadena sencilla complementaria con respecto a l a s ecuencia de bases de A DN de c adena se ncilla de l a m olecula de informacion, y p orta l a m olecula de informacion formando una secuencia de bases de ADN de cadena doble entre las secuencias de bases de ADN de cadena sencilla de la molecula de informacion de la molecula portadora.

9. 9.

   Un metodo de comunicacion molecular caracterizado por las etapas de:

   proveer una ruta de transmision (16, 17) formada de materiales macromoleculares entre un transmisor molecular

   (20) y un receptor molecular (30);

   permitir que una molecula portadora (17, 16) se mueva en una direccion prescrita a lo largo de la ruta de transmision;

   generar una molecula de informacion (15) codificando informacion prescrita en una molecula;

   producir la molecula de informacion desde el transmisor molecular para cargar la molecula de informacion sobre la molecula portadora que se mueve a lo largo del canal de transmision; y

   transportar la molecula de informacion al receptor molecular.

10. 10.

    El metodo de comunicacion molecular de la reivindicacion 9, donde la ruta de transmision esta formada de moleculas riel (17), una molecula motor (16) se usa como molecula portadora, y la molecula de informacion (15) se carga sobre la molecula motor y se transporta al receptor molecular.

11. 11.

    El metodo de comunicacion molecular de la reivindicacion 9, donde la ruta de transmision esta formada de moleculas motor (16), una molecula riel (17) se unas como molecula portadora, y la molecula de informacion (15) se carga sobre la molecula riel y se transporta al receptor molecular.

12. 12.

    El metodo de comunicacion molecular de la reivindicacion 9, que comprende adicionalmente las etapas de:

    recibir la molecula de informacion portada sobre la molecula portadora en el receptor molecular (31);

    separar la molecula de informacion de la molecula portadora; y

    descodificar la molecula de informacion separada.
13. 13. El metodo de comunicacion molecular de la reivindicacion 9, que comprende adicionalmente las etapas de:

    disponer la ruta de transmision en una solucion que contiene trifosfato de adenosina (ATP); y

    ajustar la velocidad de movimiento de la molecula portadora combinando al menos una entre concentracion de ATP, concentracion de ion magnesio, temperatura de la solucion, y resistencia a la viscosidad.

14. 14.

    El metodo de comunicacion molecular de la reivindicacion 9, donde la informacion prescrita se codifica haciendo uso de un tipo, una concentracion, una composicion o cualquier combinacion de los anteriores de la molecula.

15. 15.

    E l m etodo de co municacion molecular de l a r eivindicacion 12 , do nde la i nformacion pr escrita se co difica haciendo uso de un tipo, una concentracion, una composicion, o una combinacion de los anteriores, de la molecula, y donde la informacion se descodifica de acuerdo con el tipo o intensidad de reaccion causada por lamolecula de informacion.

16. 16.

    El metodo de comunicacion molecular de la reivindicacion 9, que comprende adicionalmente las etapas de:

    encapsular la molecula de informacion utilizando una sustancia capaz de encapsularla molecula de informacion para proteger la molecula de informacion de un factor ambiental que desnaturaliza la molecula de informacion que esta siendo transmitida a traves del canal de transmision molecular, y ocultar una propiedad de l amolecula de informacion con respecto a la molecula portadora.

17. 17.

    El metodo de comunicacion molecular de la reivindicacion 9, donde la etapa de generacion de lamolecula de informacion involucra proveer una se ccion de enlazamiento compuesta de una secuencia de bases de A DN de cadena sencilla a la molecula de informacion, y

    donde la molecula de informacion es cargada sobre la molecula portadora formando una doble cadena entre la secuencia de bases de ADN de cadena sencilla de la molecula de informacion y una secuencia de bases de ADN de cadena sencilla complementaria de la molecula portadora.