分子通信系统及分子通信方法

摘要

本发明提供分子通信系统及分子通信方法。实现在分子发送机侧将信息分子封入分子胶囊，在分子接收机侧将信息分子从分子胶囊取出并取入分子接收机内部的结构。分子通信系统包含：发送编码有规定信息的信息分子的分子发送机；接收信息分子的分子接收机；将信息分子从分子发送机传送到分子接收机的分子传输路径；和将从分子发送机传送到分子接收机的信息分子内包的分子胶囊。分子发送机、分子接收机及分子胶囊的表面由脂质双层膜构成，分子通信系统还包含：使第一化学物质作用于分子发送机、或分子发送机和分子胶囊，将信息分子封入分子胶囊内的单元；和使第二化学物质作用于分子接收机和分子胶囊，从分子胶囊取出信息分子并取入分子接收机内的单元。

说明书

技术领域

本发明广泛涉及分子通信，具体地说，涉及在分子发送机和分子接收机之间，将编码有信息的分子封入分子胶囊来传送的分子通信系统及分子通信方法。

背景技术

现在正在研究用编码有信息的纳米级的化学物质(分子)作为信息传达载体，根据由分子的接受(接收)所产生的生化反应来确立通信的分子通信技术(例如，参照非专利文献1及2)。

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进行通信。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。

在分子通信中，分子发送机生成用于编码信息的信息分子，在信息编码后，向环境中放出。向环境中放出的信息分子沿分子传输路径输送到分子接收机。分子接收机取入信息分子，进行信息的解码、生化作用的发现。

另外，分子通信中的信息分子是蛋白质或DNA这样的分子，因此，有可能因与分子传输环境中存在的分解酶等的分子相互作用而变性或因温度和pH、光等的分子传输环境中的环境因素而变性，从而丢失信息。因而，通过将信息分子封入被称为小囊泡的脂质双层膜的分子胶囊进行传送，可防止信息分子的变性(例如，参照非专利文献3)。

但是，该文献停留在提出将信息分子封入分子胶囊进行传送，没有公开具体的方法。因此，对于怎样将信息分子封入分子胶囊或怎样将信息分子从分子胶囊取出并取入分子接收机内部，希望提示具体的方法。

非专利文献1：S.Hiyama，et al.，“Molecular Communication，”Proceedings on NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show 2005，vol.3，pp.392-395，May，2005.

非专利文献2：檜山他，「分子通信」，电子信息通信学会志，Vol.89，No.2，pp.162-166，2006年2月.

非专利文献3：Y.Moritani，et al.，“Molecular Communication for HealthCare Applications，”Proceedings on Fourth IEEE International Conferenceon Pervasive Computing and Communications WORKSHOPS，pp.549-553，March 2006.

发明内容

因此，本发明的实施例旨在提供一种将信息分子封装在分子胶囊中以适于在分子发送机和分子接收机之间传输的技术、以及一种从分子胶囊取出信息分子并将该信息分子引入分子接收机中的技术。

为了实现此目的，在实施例中，将第一化学物质施加到分子发送机，或施加到分子发送机和分子胶囊，以将一个或更多个信息分子封入分子胶囊内。将第二化学物质施加到分子胶囊和分子接收机以从分子胶囊取出信息分子并将该信息分子取入分子接收机内。

更具体地说，在本发明的一方面中，提供了一种分子通信系统，该分子通信系统包括：

分子发送机，其被配置为发送其上编码有规定的信息的信息分子；

分子接收机，其被配置为接收上述信息分子；

分子传输路径，其从上述分子发送机延伸到上述分子接收机；以及

分子胶囊，其被配置为封装有要从上述分子发送机发送到上述分子接收机的上述信息分子；

其中，上述分子发送机、上述分子接收机及上述分子胶囊的表面具有脂质双层膜结构，并且

其中，该分子通信系统还包括：

封装装置，用于将第一化学物质施加到上述分子发送机，或施加到上述分子发送机和上述分子胶囊，以将上述信息分子封入上述分子胶囊内；以及

解封装置，用于将第二化学物质施加到上述分子接收机和上述分子胶囊，以从上述分子胶囊取出上述信息分子并将该信息分子取入上述分子接收机内。

采用该分子通信系统，在发送侧将一个或更多个信息分子封入分子胶囊内，并在接收侧将信息分子从分子胶囊取出并引入分子接收机内。

例如，上述封装装置预先在上述分子发送机的附近放置分子胶囊，并将上述第一化学物质施加到上述分子发送机和上述分子胶囊，以在上述分子发送机的表面和上述分子胶囊的表面上暂时地形成孔，以允许上述信息分子从上述分子发送机逸出，并进入上述分子胶囊内。

上述第一化学物质可以是包含抗菌肽的溶液。

在一另选例中，上述封装装置将上述第一化学物质施加到内部具有上述信息分子的上述分子发送机，导致上述分子发送机的一部分分离成为内部包含上述信息分子的一部分的分子胶囊。

在此情况下，上述第一化学物质可以是包含溶血卵磷脂的溶液。

在又一另选例中，上述封装装置将上述第一化学物质施加到具有上述信息分子的上述分子发送机，以产生封装有上述分子发送机内部、上述信息分子的上述分子胶囊，并将所产生的分子胶囊放出到上述分子传输路径。

在此情况下，上述第一化学物质可以是磷脂质微胶粒溶液。

上述解封装置将所发送的分子胶囊放置在上述分子接收机附近，并将上述第二化学物质施加到上述分子接收机和上述分子胶囊，以在上述分子接收机和上述分子胶囊的表面上暂时地形成孔，以使上述信息分子可从上述分子胶囊逸出并进入上述分子接收机内。

在此情况下，上述第二化学物质可以是包含抗菌肽的溶液。

作为另一选择，上述解封装置将上述第二化学物质施加到上述分子接收机和放置在上述分子接收机附近的上述分子胶囊，以使上述分子胶囊融合到上述分子接收机。

在此情况下，上述第二化学物质可以是包含镧离子的溶液。

该系统的优点在于可以避免不希望的信息丢失。这种信息丢失是由以下原因导致的；由于所发送信息分子与传输环境中存在的其他分子之间的相互作用而使信息分子变性、或者由于诸如温度或PH的环境因素而使信息分子变性。此外，由于信息分子被封装，因此，信息分子的生化或物理性质可对传输路径隐蔽，因而可提供一致的接口。不仅可将信息编码在单个信息分子上，而且还可将信息编码在分子胶囊中的一组信息分子的聚集或合成上。

附图说明

图1是用于说明本发明的一个实施方式的分子通信系统的概念图。

图2是示出图1的分子通信系统中采用的分子传输路径的结构例的图。

图3是示出在图1的分子通信系统中将分子发送机具有的信息分子封入分子胶囊的动作例1的图。

图4是示出在图1的分子通信系统中将分子发送机具有的信息分子封入分子胶囊的动作例2的图。

图5是示出在图1的分子通信系统中将分子发送机具有的信息分子封入分子胶囊的动作例3的图。

图6是示出在图1的分子通信系统中从分子胶囊取出信息分子并由分子接收机取入信息分子的动作例1的图。

图7是示出在图1的分子通信系统中从分子胶囊取出信息分子并由分子接收机取入信息分子的动作例2的图。

图8是说明图1的分子通信系统的发送侧的变形例的图。

图9是说明图1的分子通信系统的接收侧的变形例的图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的优选实施方式。

【实施例1】

图1是用于说明本发明第1实施方式的分子通信系统1的概念的概略图。如图1(a)所示，分子通信系统1包含：分子发送机20；分子接收机30；具有将它们之间交换的信息分子15封入的功能的分子胶囊10；以及作为传送分子胶囊10的路径的分子传输路径40。信息分子15起信息的保持介质的作用。

在分子通信系统1中，如后面述，通过使化学物质作用于分子发送机20或分子发送机20和分子胶囊10，将信息分子15从分子发送机20取出，封入分子胶囊10(箭头(1))。

将内部封入信息分子15的分子胶囊10沿分子传输路径40传送到分子接收机30(箭头(2))。

使化学物质作用于分子接收机30或分子接收机30和传输来的分子胶囊10，将信息分子15从分子胶囊取出，并将信息分子15取入分子接收机30内部(箭头(3))。

如图1(b)所示，分子发送机20、分子接收机30及分子胶囊10的表面由脂质双层膜51构成。脂质双层膜51由具有亲水性的头部52a和疏水性的尾部52b的脂质分子52膜状结合而构成。从而，脂质双层膜51也具有亲水部51a和疏水部51b，防止信息分子15向外部泄漏。另外，分子发送机20、分子接收机30、分子胶囊10存在的环境是水溶液。

分子发送机20、分子接收机30、分子胶囊10例如是由卵磷脂等的磷脂质构成的脂质体，通过将膜的构成成分即磷脂质在水中分散并进行搅拌或超声波处理等而形成。构成分子发送机20、分子接收机30、分子胶囊10的成分不限于磷脂质，也可以是糖脂质等，只要是可形成膜状结构并防止信息分子15向外部泄漏的分子，则可采用任意的成分。

信息分子15例如为DNA，在通常的状态下不会从分子发送机20、分子接收机30、分子胶囊10泄漏。信息分子15编码成例如与信息内容对应的碱基排列或与信息内容对应的结构(发夹结构或突起结构等)。另外，信息分子15不限于DNA，例如，也可以是离子或肽等。另外，信息的编码也不限于碱基排列和结构，为离子时可以是信息分子的种类，为肽时可以是氨基酸的排列等，可根据信息分子15的性质以各种各样的形态编码。

分子传输路径40，例如，如图2所示，是由马达分子46和轨道分子47构成的分子传送路径，将内包信息分子15的分子胶囊10从分子发送机20输送到分子接收机30。作为一例，马达分子46是驱动蛋白，轨道分子47是微管，由微管47的极性的方向决定驱动蛋白(马达分子)46的行进方向。

在图2(a)的例子中，轨道分子47例如在注入有三磷酸腺苷(ATP)的溶液中被固定到基板41上，在图2(b)的例子中，马达分子46例如在注入有三磷酸腺苷(ATP)的溶液中固定到基板41上。由未固定的分子所传送的分子胶囊10的移动速度，可通过调节ATP浓度或镁离子浓度、溶液的温度、粘性阻力来控制。

另外，分子传输路径40不限于由马达分子和轨道分子构成的分子传送路径。只要可将内包信息分子15的分子胶囊10从分子发送机20传送到分子接收机30，则可以是任何的传输路径，例如由液体流传送的路径。

接着，说明在这样的系统中，将分子发送机20具有的信息分子15向分子接收机30传送的动作。

如图3～图5所示，分子发送机20的内部用水溶液21充满，存在多个的信息分子15通过扩散均一分布在分子发送机20的内部。该状态下，使化学物质作用于分子发送机20或分子发送机20和分子胶囊10的双方，将分子发送机20内部存在的信息分子15从分子发送机20取出，封入分子胶囊10。

具体地说，例如如图3所示，通过使包含溶血卵磷脂的溶液60A作用于分子发送机20，使分子发送机20的一部分分裂，可将信息分子15封入分子胶囊10内。该情况下，分子发送机20的分裂的部分直接成为分子胶囊10，因此在分子胶囊10内封入与分子发送机20同浓度的信息分子15。图示为了简便，仅仅描绘了单一的信息分子15，但是在分子胶囊10内可内包2个以上的信息分子。另外，由包含溶血卵磷脂的溶液60A进行的膜分裂的详细情况希望参照T.Tanaka，et al.，“Shape Changes and VesicleFission of Giant Unilamellar Vesicles of Lipid-Ordered Phase MembraneInduced by Lysophosphatidylcholine，”Langmuire，vol.20，pp.9526-9534，2004.。

包含溶血卵磷脂的溶液60A，例如通过微量吸管每隔一定时间或根据指示作用于分子发送机20。

另外，例如如图4所示，通过使包含磷脂质的微胶粒(micelle)的溶液60B作用于分子发送机20，在分子发送机20的内部生成封入信息分子15的分子胶囊10。生成的分子胶囊10自律地向分子发送机20的外部放出。在该方法中，在分子发送机20的内部生成分子胶囊10，在分子胶囊10内封入与分子发送机20同浓度的信息分子15。另外，包含磷脂质的微胶粒的溶液60B进行的膜生成的详细情况希望参照K.Takakura，et al.，“A NovelSystem of Self-Reproducing Giant Vesicles，”Journal of the AmericanChemical Society，vol.125，PP.8134-8140，2003.。

另外，例如如图5所示，通过预先在分子发送机20的附近准备分子胶囊10，使包含抗菌肽的溶液60C作用于分子发送机20和分子胶囊10，在分子发送机20和分子胶囊10的表面分别生成微细孔20a、10a，通过将从分子发送机20泄漏的信息分子15取入分子胶囊10内，可将信息分子15封入分子胶囊10。

使其作用的包含抗菌肽的溶液60C随着时间的经过在环境中扩散，抗菌肽的浓度下降，因此，在分子发送机20和分子胶囊10的表面生成的微细孔在一定时间后闭合。该情况下，来自分子发送机20的信息分子15的泄漏按照浓度梯度自然进行，将信息分子15取入分子胶囊10的情况通过扩散按概率进行，因此分子胶囊10内的信息分子15的浓度因分子发送机20和分子胶囊10的距离和抗菌肽溶液的浓度等而异。另外，由包含抗菌肽的溶液60C在膜表面进行的微细孔的生成希望参照Y.Tamba，et al.，“Single Giant Unilamellar Vesicle Method Reveals Effect of AntimicrobialPeptide Magainin 2 on Membrane Permeability，”Biochemistry，vol.44，pp.15823-15833，2005.。

这样，通过使化学物质作用于分子发送机20或分子发送机20和分子胶囊10，可从分子发送机20取出分子发送机20内部存在的信息分子15，封入分子胶囊10内。

然后，封入信息分子15的分子胶囊10通过分子传输路径40传送到分子接收机30。

封入信息分子15的分子胶囊10传送到分子接收机30后，使化学物质作用于分子胶囊10和分子接收机30，从分子胶囊10取出信息分子15，并将信息分子15取入分子接收机30。

具体地说，例如如图6所示，通过使包含镧离子的溶液60D作用于分子胶囊10和分子接收机30，使分子胶囊10与分子接收机30融合，从分子胶囊10取出信息分子15并取入分子接收机30内。该情况下，分子胶囊10成为分子接收机30的一部分，因此，分子胶囊10内部包含的所有信息分子15被取入分子接收机30。另外，由包含镧离子的溶液60D进行的膜融合希望参照T.Tanaka，et al.，“Membrane Fusion of Giant Unilamellar Vesiclesof Neutral Phospholipid Membranes Induced by La³⁺，”Langmuir，vol.20，pp.5160-5164，2004.。

另外，例如如图7所示，通过使包含抗菌肽的溶液60C作用于分子胶囊10和分子接收机30，可在分子胶囊10和分子接收机30上分别生成微细孔10a、30a，将从分子胶囊10泄漏的信息分子15取入分子接收机30内。与信息分子15封入分子胶囊10的情况同样，使其作用的包含抗菌肽的溶液随着时间的经过在环境中扩散，抗菌肽的浓度下降，因此，在分子胶囊10和分子接收机30的表面生成的微细孔10a及30a在一定时间后闭合。该情况下，来自分子胶囊10的信息分子15的泄漏按照浓度梯度自然进行，将信息分子15取入分子接收机30的情况通过扩散按概率进行。从而，取入分子接收机30内的信息分子15的浓度因分子胶囊10和分子接收机30的距离和包含抗菌肽的溶液60C的浓度等而变化。

这样，通过使化学物质作用于分子胶囊10和分子接收机30，可从分子胶囊10取出信息分子15并取入分子接收机30内。

通过进行以上的动作，提供将分子发送机20具有的信息分子15封入分子胶囊10来进行传送并取入分子接收机30的分子通信系统。

【实施例2】

在利用了图2的马达分子46和轨道分子47的分子传输路径40上传送内包信息分子15的分子胶囊10时，也可采用利用单链核苷酸间的特异的结合现象而与使分子胶囊10滑走运动的微管(轨道分子)47连接的方法。

将未封装的信息分子利用单链核苷酸间的特异的结合现象与微管连接，并在规定的位置利用单链核苷酸间的特异的解离/结合现象从微管卸下的方法，例如，记载于S.Hiyama，et al.，“A Design of an AutonomousMolecule Loading/Transporting/Unloading System Using DNA Hybridizationand Biomolecular Linear Motors，”Proceedings on European Nano Systems2005，pp.75-80，Dec.2005.。

如图8(a)所示，微管47在固定于形成分子传输路径40的基板41上的驱动蛋白46上滑走。图示为了简化，仅描绘了与微管47对应的位置的驱动蛋白46，但是，为了能够从分子发送机20传送到分子接收机30，沿形成在基板41上的槽在整个分子传输路径40上固定驱动蛋白46。短的单链核苷酸45预先与微管47结合。该短的单链核苷酸45成为与分子胶囊10结合的长的单链核苷酸25的一部分的互补。如图8(b)所示，沿传输路径移动的微管47的短的单链核苷酸45和从分子发送机20放出的分子胶囊10的长的单链核苷酸25，利用单链核苷酸间的特异的双链形成能力而连接，并牵引到分子接收机30。

此时，作为为了将分子发送机20内的信息分子15封入分子胶囊10而作用的化学物质，在利用如图3所示那样包含溶血卵磷脂的溶液60A时，单链核苷酸25必须与从分子发送机20分裂的分子胶囊10结合。因而，预先将单链核苷酸25结合到分子发送机20的表面。这样，当因溶血卵磷脂的作用而导致分子胶囊10分裂时，单链核苷酸25在结合状态下分裂。

另外，作为为了将分子发送机20内的信息分子15封入分子胶囊10而作用的化学物质，在利用如图4所示那样包含磷脂质的微胶粒的溶液60B时，单链核苷酸25必须与在分子发送机20内部生成并向传输路径40放出的分子胶囊10结合。因而，预先在分子发送机20的内部具有单链核苷酸25。分子胶囊10生成后，通过将单链核苷酸25结合到分子胶囊10的表面，与图8同样，单链核苷酸25在结合的状态下，可将分子胶囊10从分子发送机20放出。

另外，如图5所示，作为为了将分子发送机20内的信息分子15封入分子胶囊10而作用的化学物质，在利用包含抗菌肽的溶液60C时，通过将单链核苷酸25与预先准备的分子胶囊10结合，与图8同样，可将分子胶囊10连接到微管47。

另一方面，在分子接收机30中，为了将分子胶囊10从微管47卸下，如图9(a)所示，将与结合在分子胶囊10上的单链核苷酸25互补的长的单链核苷酸35预先与分子接收机30结合。分子胶囊10的单链核苷酸25与呈互补关系的长的单链核苷酸35形成双链的情况比与结合在微管47上的短的单链核苷酸45形成双链的情况更成为稳定的能量状态，因此，如图9(b)所示，分子胶囊10的单链核苷酸25解开与结合在微管47上的短的单链核苷酸45形成的双链，转移成与分子接收机30的单链核苷酸35形成双链。

作为为了从分子胶囊10取出信息分子15并将信息分子15取入分子接收机30而作用的化学物质，在利用图6所示那样包含镧离子的溶液60D时，为了使分子胶囊10和分子接收机30易于融合，必须切断由与分子胶囊10结合的单链核苷酸25和与分子接收机30结合的单链核苷酸35形成的双链核苷酸。因而，与分子胶囊10结合的单链核苷酸25和与分子接收机30结合的单链核苷酸35形成双链核苷酸后，使具有切断此时形成的双链核苷酸的性质的包含限制酶的溶液起作用。从而，可以易于融合分子胶囊10和分子接收机30。另外，包含限制酶的溶液可以在包含镧离子的溶液60D作用前起作用，也可以预先混合包含限制酶和镧离子的溶液，使混合溶液起作用。

另外，作为为了从分子胶囊10取出信息分子15并将信息分子15取入分子接收机30而作用的化学物质，利用如图7所示那样包含抗菌肽的溶液60C，在分子胶囊10和分子接收机30上分别生成微细孔10a、30a的方法中，从分子胶囊10取出信息分子15并取入分子接收机30时，没有双链核苷酸的影响。从而，该情况不需要前述以外的特别操作。

在上述例子中，将单链核苷酸35与分子接收机30的表面结合，但是也可以不是分子接收机30的表面，而是将单链核苷酸35与分子接收机30附近的基板结合的方式。即，也可以使包含限制酶的溶液作用于由与传送到分子接收机30附近的分子胶囊10结合的单链核苷酸25和与基板结合的单链核苷酸35结合而成的双链核苷酸后或者同时，使包含镧离子的溶液60D起作用，将分子胶囊10和分子接收机30融合，将信息分子15取入分子接收机30。或者，也可以使包含抗菌肽的溶液60C作用于传送到分子接收机30附近的分子胶囊10和分子接收机30，在分子胶囊10和分子接收机30上分别生成微细孔10a、30a，从分子胶囊10取出信息分子15并取入分子接收机30。

如上所述，根据本发明的实施方式，可实现将分子发送机具有的信息分子封入分子胶囊并传送到分子接收机，在分子接收机中取入信息分子的分子通信系统。即，可避免应传达的信息分子与环境中存在的分子相互作用而变性或因温度或pH等的环境因素而变性所导致的信息丢失，提高分子通信系统中的信息传达的可靠性。其结果，由于能力、环境上的理由而无法使用传统的通信系统所利用的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成为可能。

另外，分子通信系统由化学能驱动工作，由于在纳米级的分子内编码信息来传送，因此，可以以比传统的通信系统少的能量消耗量进行信息密度高的信息传达。

而且，传统的通信系统无法传达的、由生化分子或其浓度表现的发送侧的生化现象或状态，可利用分子胶囊来保护生化分子或其浓度而直接传送到接收侧，可提供基于生化反应的新的通信方式。