專利名稱：分子通信系統(tǒng)及分子通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣泛涉及分子通信，具體地說，涉及在分子發(fā)送機(jī)和分子接收機(jī)之間，將編碼有信息的分子封入分子膠囊來傳送的分子通信系統(tǒng)及分子通信方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在正在研究用編碼有信息的納米級的化學(xué)物質(zhì)(分子)作為信息傳達(dá)載體，根據(jù)由分子的接受(接收)所產(chǎn)生的生化反應(yīng)來確立通信的分子通信技術(shù)(例如，參照非專利文獻(xiàn)1及2)。
與以電或光信號這樣的電磁波作為信息傳送載體的現(xiàn)有的通信技術(shù)不同，分子通信的特征是使用生化信號，以低速且非常少的能量進(jìn)行通信。期待這樣的分子通信可應(yīng)用于由于能力、環(huán)境上的理由而無法使用電磁波的納米級裝置間的通信，或不能用電子設(shè)備構(gòu)成、驅(qū)動的納米設(shè)備的動作控制等。
在分子通信中，分子發(fā)送機(jī)生成用于編碼信息的信息分子，在信息編碼后，向環(huán)境中放出。向環(huán)境中放出的信息分子沿分子傳輸路徑輸送到分子接收機(jī)。分子接收機(jī)取入信息分子，進(jìn)行信息的解碼、生化作用的發(fā)現(xiàn)。
另外，分子通信中的信息分子是蛋白質(zhì)或DNA這樣的分子，因此，有可能因與分子傳輸環(huán)境中存在的分解酶等的分子相互作用而變性或因溫度和pH、光等的分子傳輸環(huán)境中的環(huán)境因素而變性，從而丟失信息。因而，通過將信息分子封入被稱為小囊泡的脂質(zhì)雙層膜的分子膠囊進(jìn)行傳送，可防止信息分子的變性(例如，參照非專利文獻(xiàn)3)。
但是，該文獻(xiàn)停留在提出將信息分子封入分子膠囊進(jìn)行傳送，沒有公開具體的方法。因此，對于怎樣將信息分子封入分子膠囊或怎樣將信息分子從分子膠囊取出并取入分子接收機(jī)內(nèi)部，希望提示具體的方法。
非專利文獻(xiàn)1S.Hiyama，et al.，“Molecular Communication，”Proceedings on NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show 2005，vol.3，pp.392-395，May，2005.
非專利文獻(xiàn)2檜山他，「分子通信」，電子信息通信學(xué)會志，Vol.89，No.2，pp.162-166，2006年2月.
非專利文獻(xiàn)3Y.Moritani，et al.，“Molecular Communication for HealthCare Applications，”Proceedings on Fourth IEEE International Conferenceon Pervasive Computing and Communications WORKSHOPS，pp.549-553，March 2006.

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的實(shí)施例旨在提供一種將信息分子封裝在分子膠囊中以適于在分子發(fā)送機(jī)和分子接收機(jī)之間傳輸?shù)募夹g(shù)、以及一種從分子膠囊取出信息分子并將該信息分子引入分子接收機(jī)中的技術(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)此目的，在實(shí)施例中，將第一化學(xué)物質(zhì)施加到分子發(fā)送機(jī)，或施加到分子發(fā)送機(jī)和分子膠囊，以將一個或更多個信息分子封入分子膠囊內(nèi)。將第二化學(xué)物質(zhì)施加到分子膠囊和分子接收機(jī)以從分子膠囊取出信息分子并將該信息分子取入分子接收機(jī)內(nèi)。
更具體地說，在本發(fā)明的一方面中，提供了一種分子通信系統(tǒng)，該分子通信系統(tǒng)包括分子發(fā)送機(jī)，其被配置為發(fā)送其上編碼有規(guī)定的信息的信息分子；分子接收機(jī)，其被配置為接收上述信息分子；分子傳輸路徑，其從上述分子發(fā)送機(jī)延伸到上述分子接收機(jī)；以及分子膠囊，其被配置為封裝有要從上述分子發(fā)送機(jī)發(fā)送到上述分子接收機(jī)的上述信息分子；其中，上述分子發(fā)送機(jī)、上述分子接收機(jī)及上述分子膠囊的表面具有脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)，并且其中，該分子通信系統(tǒng)還包括
封裝裝置，用于將第一化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子發(fā)送機(jī)，或施加到上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊，以將上述信息分子封入上述分子膠囊內(nèi)；以及解封裝置，用于將第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊，以從上述分子膠囊取出上述信息分子并將該信息分子取入上述分子接收機(jī)內(nèi)。
采用該分子通信系統(tǒng)，在發(fā)送側(cè)將一個或更多個信息分子封入分子膠囊內(nèi)，并在接收側(cè)將信息分子從分子膠囊取出并引入分子接收機(jī)內(nèi)。
例如，上述封裝裝置預(yù)先在上述分子發(fā)送機(jī)的附近放置分子膠囊，并將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊，以在上述分子發(fā)送機(jī)的表面和上述分子膠囊的表面上暫時地形成孔，以允許上述信息分子從上述分子發(fā)送機(jī)逸出，并進(jìn)入上述分子膠囊內(nèi)。
上述第一化學(xué)物質(zhì)可以是包含抗菌肽的溶液。
在一另選例中，上述封裝裝置將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到內(nèi)部具有上述信息分子的上述分子發(fā)送機(jī)，導(dǎo)致上述分子發(fā)送機(jī)的一部分分離成為內(nèi)部包含上述信息分子的一部分的分子膠囊。
在此情況下，上述第一化學(xué)物質(zhì)可以是包含溶血卵磷脂的溶液。
在又一另選例中，上述封裝裝置將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到具有上述信息分子的上述分子發(fā)送機(jī)，以產(chǎn)生封裝有上述分子發(fā)送機(jī)內(nèi)部、上述信息分子的上述分子膠囊，并將所產(chǎn)生的分子膠囊放出到上述分子傳輸路徑。
在此情況下，上述第一化學(xué)物質(zhì)可以是磷脂質(zhì)微膠粒溶液。
上述解封裝置將所發(fā)送的分子膠囊放置在上述分子接收機(jī)附近，并將上述第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊，以在上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊的表面上暫時地形成孔，以使上述信息分子可從上述分子膠囊逸出并進(jìn)入上述分子接收機(jī)內(nèi)。
在此情況下，上述第二化學(xué)物質(zhì)可以是包含抗菌肽的溶液。
作為另一選擇，上述解封裝置將上述第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子接收機(jī)和放置在上述分子接收機(jī)附近的上述分子膠囊，以使上述分子膠囊融合到上述分子接收機(jī)。
在此情況下，上述第二化學(xué)物質(zhì)可以是包含鑭離子的溶液。
該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于可以避免不希望的信息丟失。這種信息丟失是由以下原因?qū)е碌?；由于所發(fā)送信息分子與傳輸環(huán)境中存在的其他分子之間的相互作用而使信息分子變性、或者由于諸如溫度或PH的環(huán)境因素而使信息分子變性。此外，由于信息分子被封裝，因此，信息分子的生化或物理性質(zhì)可對傳輸路徑隱蔽，因而可提供一致的接口。不僅可將信息編碼在單個信息分子上，而且還可將信息編碼在分子膠囊中的一組信息分子的聚集或合成上。


圖1是用于說明本發(fā)明的一個實(shí)施方式的分子通信系統(tǒng)的概念圖。
圖2是示出圖1的分子通信系統(tǒng)中采用的分子傳輸路徑的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖3是示出在圖1的分子通信系統(tǒng)中將分子發(fā)送機(jī)具有的信息分子封入分子膠囊的動作例1的圖。
圖4是示出在圖1的分子通信系統(tǒng)中將分子發(fā)送機(jī)具有的信息分子封入分子膠囊的動作例2的圖。
圖5是示出在圖1的分子通信系統(tǒng)中將分子發(fā)送機(jī)具有的信息分子封入分子膠囊的動作例3的圖。
圖6是示出在圖1的分子通信系統(tǒng)中從分子膠囊取出信息分子并由分子接收機(jī)取入信息分子的動作例1的圖。
圖7是示出在圖1的分子通信系統(tǒng)中從分子膠囊取出信息分子并由分子接收機(jī)取入信息分子的動作例2的圖。
圖8是說明圖1的分子通信系統(tǒng)的發(fā)送側(cè)的變形例的圖。
圖9是說明圖1的分子通信系統(tǒng)的接收側(cè)的變形例的圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖，說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
實(shí)施例1圖1是用于說明本發(fā)明第1實(shí)施方式的分子通信系統(tǒng)1的概念的概略圖。如圖1(a)所示，分子通信系統(tǒng)1包含分子發(fā)送機(jī)20；分子接收機(jī)30；具有將它們之間交換的信息分子15封入的功能的分子膠囊10；以及作為傳送分子膠囊10的路徑的分子傳輸路徑40。信息分子15起信息的保持介質(zhì)的作用。
在分子通信系統(tǒng)1中，如后面述，通過使化學(xué)物質(zhì)作用于分子發(fā)送機(jī)20或分子發(fā)送機(jī)20和分子膠囊10，將信息分子15從分子發(fā)送機(jī)20取出，封入分子膠囊10(箭頭(1))。
將內(nèi)部封入信息分子15的分子膠囊10沿分子傳輸路徑40傳送到分子接收機(jī)30(箭頭(2))。
使化學(xué)物質(zhì)作用于分子接收機(jī)30或分子接收機(jī)30和傳輸來的分子膠囊10，將信息分子15從分子膠囊取出，并將信息分子15取入分子接收機(jī)30內(nèi)部(箭頭(3))。
如圖1(b)所示，分子發(fā)送機(jī)20、分子接收機(jī)30及分子膠囊10的表面由脂質(zhì)雙層膜51構(gòu)成。脂質(zhì)雙層膜51由具有親水性的頭部52a和疏水性的尾部52b的脂質(zhì)分子52膜狀結(jié)合而構(gòu)成。從而，脂質(zhì)雙層膜51也具有親水部51a和疏水部51b，防止信息分子15向外部泄漏。另外，分子發(fā)送機(jī)20、分子接收機(jī)30、分子膠囊10存在的環(huán)境是水溶液。
分子發(fā)送機(jī)20、分子接收機(jī)30、分子膠囊10例如是由卵磷脂等的磷脂質(zhì)構(gòu)成的脂質(zhì)體，通過將膜的構(gòu)成成分即磷脂質(zhì)在水中分散并進(jìn)行攪拌或超聲波處理等而形成。構(gòu)成分子發(fā)送機(jī)20、分子接收機(jī)30、分子膠囊10的成分不限于磷脂質(zhì)，也可以是糖脂質(zhì)等，只要是可形成膜狀結(jié)構(gòu)并防止信息分子15向外部泄漏的分子，則可采用任意的成分。
信息分子15例如為DNA，在通常的狀態(tài)下不會從分子發(fā)送機(jī)20、分子接收機(jī)30、分子膠囊10泄漏。信息分子15編碼成例如與信息內(nèi)容對應(yīng)的堿基排列或與信息內(nèi)容對應(yīng)的結(jié)構(gòu)(發(fā)夾結(jié)構(gòu)或突起結(jié)構(gòu)等)。另外，信息分子15不限于DNA，例如，也可以是離子或肽等。另外，信息的編碼也不限于堿基排列和結(jié)構(gòu)，為離子時可以是信息分子的種類，為肽時可以是氨基酸的排列等，可根據(jù)信息分子15的性質(zhì)以各種各樣的形態(tài)編碼。
分子傳輸路徑40，例如，如圖2所示，是由馬達(dá)分子46和軌道分子47構(gòu)成的分子傳送路徑，將內(nèi)包信息分子15的分子膠囊10從分子發(fā)送機(jī)20輸送到分子接收機(jī)30。作為一例，馬達(dá)分子46是驅(qū)動蛋白，軌道分子47是微管，由微管47的極性的方向決定驅(qū)動蛋白(馬達(dá)分子)46的行進(jìn)方向。
在圖2(a)的例子中，軌道分子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，在圖2(b)的例子中，馬達(dá)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。由未固定的分子所傳送的分子膠囊10的移動速度，可通過調(diào)節(jié)ATP濃度或鎂離子濃度、溶液的溫度、粘性阻力來控制。
另外，分子傳輸路徑40不限于由馬達(dá)分子和軌道分子構(gòu)成的分子傳送路徑。只要可將內(nèi)包信息分子15的分子膠囊10從分子發(fā)送機(jī)20傳送到分子接收機(jī)30，則可以是任何的傳輸路徑，例如由液體流傳送的路徑。
接著，說明在這樣的系統(tǒng)中，將分子發(fā)送機(jī)20具有的信息分子15向分子接收機(jī)30傳送的動作。
如圖3～圖5所示，分子發(fā)送機(jī)20的內(nèi)部用水溶液21充滿，存在多個的信息分子15通過擴(kuò)散均一分布在分子發(fā)送機(jī)20的內(nèi)部。該狀態(tài)下，使化學(xué)物質(zhì)作用于分子發(fā)送機(jī)20或分子發(fā)送機(jī)20和分子膠囊10的雙方，將分子發(fā)送機(jī)20內(nèi)部存在的信息分子15從分子發(fā)送機(jī)20取出，封入分子膠囊10。
具體地說，例如如圖3所示，通過使包含溶血卵磷脂的溶液60A作用于分子發(fā)送機(jī)20，使分子發(fā)送機(jī)20的一部分分裂，可將信息分子15封入分子膠囊10內(nèi)。該情況下，分子發(fā)送機(jī)20的分裂的部分直接成為分子膠囊10，因此在分子膠囊10內(nèi)封入與分子發(fā)送機(jī)20同濃度的信息分子15。圖示為了簡便，僅僅描繪了單一的信息分子15，但是在分子膠囊10內(nèi)可內(nèi)包2個以上的信息分子。另外，由包含溶血卵磷脂的溶液60A進(jìn)行的膜分裂的詳細(xì)情況希望參照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，例如通過微量吸管每隔一定時間或根據(jù)指示作用于分子發(fā)送機(jī)20。
另外，例如如圖4所示，通過使包含磷脂質(zhì)的微膠粒(micelle)的溶液60B作用于分子發(fā)送機(jī)20，在分子發(fā)送機(jī)20的內(nèi)部生成封入信息分子15的分子膠囊10。生成的分子膠囊10自律地向分子發(fā)送機(jī)20的外部放出。在該方法中，在分子發(fā)送機(jī)20的內(nèi)部生成分子膠囊10，在分子膠囊10內(nèi)封入與分子發(fā)送機(jī)20同濃度的信息分子15。另外，包含磷脂質(zhì)的微膠粒的溶液60B進(jìn)行的膜生成的詳細(xì)情況希望參照K.Takakura，et al.，“A NovelSystem of Self-Reproducing Giant Vesicles，”Journal of the AmericanChemical Society，vol.125，PP.8134-8140，2003.。
另外，例如如圖5所示，通過預(yù)先在分子發(fā)送機(jī)20的附近準(zhǔn)備分子膠囊10，使包含抗菌肽的溶液60C作用于分子發(fā)送機(jī)20和分子膠囊10，在分子發(fā)送機(jī)20和分子膠囊10的表面分別生成微細(xì)孔20a、10a，通過將從分子發(fā)送機(jī)20泄漏的信息分子15取入分子膠囊10內(nèi)，可將信息分子15封入分子膠囊10。
使其作用的包含抗菌肽的溶液60C隨著時間的經(jīng)過在環(huán)境中擴(kuò)散，抗菌肽的濃度下降，因此，在分子發(fā)送機(jī)20和分子膠囊10的表面生成的微細(xì)孔在一定時間后閉合。該情況下，來自分子發(fā)送機(jī)20的信息分子15的泄漏按照濃度梯度自然進(jìn)行，將信息分子15取入分子膠囊10的情況通過擴(kuò)散按概率進(jìn)行，因此分子膠囊10內(nèi)的信息分子15的濃度因分子發(fā)送機(jī)20和分子膠囊10的距離和抗菌肽溶液的濃度等而異。另外，由包含抗菌肽的溶液60C在膜表面進(jìn)行的微細(xì)孔的生成希望參照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.。
這樣，通過使化學(xué)物質(zhì)作用于分子發(fā)送機(jī)20或分子發(fā)送機(jī)20和分子膠囊10，可從分子發(fā)送機(jī)20取出分子發(fā)送機(jī)20內(nèi)部存在的信息分子15，封入分子膠囊10內(nèi)。
然后，封入信息分子15的分子膠囊10通過分子傳輸路徑40傳送到分子接收機(jī)30。
封入信息分子15的分子膠囊10傳送到分子接收機(jī)30后，使化學(xué)物質(zhì)作用于分子膠囊10和分子接收機(jī)30，從分子膠囊10取出信息分子15，并將信息分子15取入分子接收機(jī)30。
具體地說，例如如圖6所示，通過使包含鑭離子的溶液60D作用于分子膠囊10和分子接收機(jī)30，使分子膠囊10與分子接收機(jī)30融合，從分子膠囊10取出信息分子15并取入分子接收機(jī)30內(nèi)。該情況下，分子膠囊10成為分子接收機(jī)30的一部分，因此，分子膠囊10內(nèi)部包含的所有信息分子15被取入分子接收機(jī)30。另外，由包含鑭離子的溶液60D進(jìn)行的膜融合希望參照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，例如如圖7所示，通過使包含抗菌肽的溶液60C作用于分子膠囊10和分子接收機(jī)30，可在分子膠囊10和分子接收機(jī)30上分別生成微細(xì)孔10a、30a，將從分子膠囊10泄漏的信息分子15取入分子接收機(jī)30內(nèi)。與信息分子15封入分子膠囊10的情況同樣，使其作用的包含抗菌肽的溶液隨著時間的經(jīng)過在環(huán)境中擴(kuò)散，抗菌肽的濃度下降，因此，在分子膠囊10和分子接收機(jī)30的表面生成的微細(xì)孔10a及30a在一定時間后閉合。該情況下，來自分子膠囊10的信息分子15的泄漏按照濃度梯度自然進(jìn)行，將信息分子15取入分子接收機(jī)30的情況通過擴(kuò)散按概率進(jìn)行。從而，取入分子接收機(jī)30內(nèi)的信息分子15的濃度因分子膠囊10和分子接收機(jī)30的距離和包含抗菌肽的溶液60C的濃度等而變化。
這樣，通過使化學(xué)物質(zhì)作用于分子膠囊10和分子接收機(jī)30，可從分子膠囊10取出信息分子15并取入分子接收機(jī)30內(nèi)。
通過進(jìn)行以上的動作，提供將分子發(fā)送機(jī)20具有的信息分子15封入分子膠囊10來進(jìn)行傳送并取入分子接收機(jī)30的分子通信系統(tǒng)。
實(shí)施例2在利用了圖2的馬達(dá)分子46和軌道分子47的分子傳輸路徑40上傳送內(nèi)包信息分子15的分子膠囊10時，也可采用利用單鏈核苷酸間的特異的結(jié)合現(xiàn)象而與使分子膠囊10滑走運(yùn)動的微管(軌道分子)47連接的方法。
將未封裝的信息分子利用單鏈核苷酸間的特異的結(jié)合現(xiàn)象與微管連接，并在規(guī)定的位置利用單鏈核苷酸間的特異的解離/結(jié)合現(xiàn)象從微管卸下的方法，例如，記載于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.。
如圖8(a)所示，微管47在固定于形成分子傳輸路徑40的基板41上的驅(qū)動蛋白46上滑走。圖示為了簡化，僅描繪了與微管47對應(yīng)的位置的驅(qū)動蛋白46，但是，為了能夠從分子發(fā)送機(jī)20傳送到分子接收機(jī)30，沿形成在基板41上的槽在整個分子傳輸路徑40上固定驅(qū)動蛋白46。短的單鏈核苷酸45預(yù)先與微管47結(jié)合。該短的單鏈核苷酸45成為與分子膠囊10結(jié)合的長的單鏈核苷酸25的一部分的互補(bǔ)。如圖8(b)所示，沿傳輸路徑移動的微管47的短的單鏈核苷酸45和從分子發(fā)送機(jī)20放出的分子膠囊10的長的單鏈核苷酸25，利用單鏈核苷酸間的特異的雙鏈形成能力而連接，并牽引到分子接收機(jī)30。
此時，作為為了將分子發(fā)送機(jī)20內(nèi)的信息分子15封入分子膠囊10而作用的化學(xué)物質(zhì)，在利用如圖3所示那樣包含溶血卵磷脂的溶液60A時，單鏈核苷酸25必須與從分子發(fā)送機(jī)20分裂的分子膠囊10結(jié)合。因而，預(yù)先將單鏈核苷酸25結(jié)合到分子發(fā)送機(jī)20的表面。這樣，當(dāng)因溶血卵磷脂的作用而導(dǎo)致分子膠囊10分裂時，單鏈核苷酸25在結(jié)合狀態(tài)下分裂。
另外，作為為了將分子發(fā)送機(jī)20內(nèi)的信息分子15封入分子膠囊10而作用的化學(xué)物質(zhì)，在利用如圖4所示那樣包含磷脂質(zhì)的微膠粒的溶液60B時，單鏈核苷酸25必須與在分子發(fā)送機(jī)20內(nèi)部生成并向傳輸路徑40放出的分子膠囊10結(jié)合。因而，預(yù)先在分子發(fā)送機(jī)20的內(nèi)部具有單鏈核苷酸25。分子膠囊10生成后，通過將單鏈核苷酸25結(jié)合到分子膠囊10的表面，與圖8同樣，單鏈核苷酸25在結(jié)合的狀態(tài)下，可將分子膠囊10從分子發(fā)送機(jī)20放出。
另外，如圖5所示，作為為了將分子發(fā)送機(jī)20內(nèi)的信息分子15封入分子膠囊10而作用的化學(xué)物質(zhì)，在利用包含抗菌肽的溶液60C時，通過將單鏈核苷酸25與預(yù)先準(zhǔn)備的分子膠囊10結(jié)合，與圖8同樣，可將分子膠囊10連接到微管47。
另一方面，在分子接收機(jī)30中，為了將分子膠囊10從微管47卸下，如圖9(a)所示，將與結(jié)合在分子膠囊10上的單鏈核苷酸25互補(bǔ)的長的單鏈核苷酸35預(yù)先與分子接收機(jī)30結(jié)合。分子膠囊10的單鏈核苷酸25與呈互補(bǔ)關(guān)系的長的單鏈核苷酸35形成雙鏈的情況比與結(jié)合在微管47上的短的單鏈核苷酸45形成雙鏈的情況更成為穩(wěn)定的能量狀態(tài)，因此，如圖9(b)所示，分子膠囊10的單鏈核苷酸25解開與結(jié)合在微管47上的短的單鏈核苷酸45形成的雙鏈，轉(zhuǎn)移成與分子接收機(jī)30的單鏈核苷酸35形成雙鏈。
作為為了從分子膠囊10取出信息分子15并將信息分子15取入分子接收機(jī)30而作用的化學(xué)物質(zhì)，在利用圖6所示那樣包含鑭離子的溶液60D時，為了使分子膠囊10和分子接收機(jī)30易于融合，必須切斷由與分子膠囊10結(jié)合的單鏈核苷酸25和與分子接收機(jī)30結(jié)合的單鏈核苷酸35形成的雙鏈核苷酸。因而，與分子膠囊10結(jié)合的單鏈核苷酸25和與分子接收機(jī)30結(jié)合的單鏈核苷酸35形成雙鏈核苷酸后，使具有切斷此時形成的雙鏈核苷酸的性質(zhì)的包含限制酶的溶液起作用。從而，可以易于融合分子膠囊10和分子接收機(jī)30。另外，包含限制酶的溶液可以在包含鑭離子的溶液60D作用前起作用，也可以預(yù)先混合包含限制酶和鑭離子的溶液，使混合溶液起作用。
另外，作為為了從分子膠囊10取出信息分子15并將信息分子15取入分子接收機(jī)30而作用的化學(xué)物質(zhì)，利用如圖7所示那樣包含抗菌肽的溶液60C，在分子膠囊10和分子接收機(jī)30上分別生成微細(xì)孔10a、30a的方法中，從分子膠囊10取出信息分子15并取入分子接收機(jī)30時，沒有雙鏈核苷酸的影響。從而，該情況不需要前述以外的特別操作。
在上述例子中，將單鏈核苷酸35與分子接收機(jī)30的表面結(jié)合，但是也可以不是分子接收機(jī)30的表面，而是將單鏈核苷酸35與分子接收機(jī)30附近的基板結(jié)合的方式。即，也可以使包含限制酶的溶液作用于由與傳送到分子接收機(jī)30附近的分子膠囊10結(jié)合的單鏈核苷酸25和與基板結(jié)合的單鏈核苷酸35結(jié)合而成的雙鏈核苷酸后或者同時，使包含鑭離子的溶液60D起作用，將分子膠囊10和分子接收機(jī)30融合，將信息分子15取入分子接收機(jī)30?；蛘撸部梢允拱咕牡娜芤?0C作用于傳送到分子接收機(jī)30附近的分子膠囊10和分子接收機(jī)30，在分子膠囊10和分子接收機(jī)30上分別生成微細(xì)孔10a、30a，從分子膠囊10取出信息分子15并取入分子接收機(jī)30。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，可實(shí)現(xiàn)將分子發(fā)送機(jī)具有的信息分子封入分子膠囊并傳送到分子接收機(jī)，在分子接收機(jī)中取入信息分子的分子通信系統(tǒng)。即，可避免應(yīng)傳達(dá)的信息分子與環(huán)境中存在的分子相互作用而變性或因溫度或pH等的環(huán)境因素而變性所導(dǎo)致的信息丟失，提高分子通信系統(tǒng)中的信息傳達(dá)的可靠性。其結(jié)果，由于能力、環(huán)境上的理由而無法使用傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)所利用的電磁波的納米級裝置間的通信，或不能用電子設(shè)備構(gòu)成、驅(qū)動的納米設(shè)備的動作控制等成為可能。
另外，分子通信系統(tǒng)由化學(xué)能驅(qū)動工作，由于在納米級的分子內(nèi)編碼信息來傳送，因此，可以以比傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)少的能量消耗量進(jìn)行信息密度高的信息傳達(dá)。
而且，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)無法傳達(dá)的、由生化分子或其濃度表現(xiàn)的發(fā)送側(cè)的生化現(xiàn)象或狀態(tài)，可利用分子膠囊來保護(hù)生化分子或其濃度而直接傳送到接收側(cè)，可提供基于生化反應(yīng)的新的通信方式。
權(quán)利要求
1.一種分子通信系統(tǒng)，該分子通信系統(tǒng)包括分子發(fā)送機(jī)，其被配置為發(fā)送其上編碼有規(guī)定的信息的信息分子；分子接收機(jī)，其被配置為接收上述信息分子；分子傳輸路徑，其從上述分子發(fā)送機(jī)延伸到上述分子接收機(jī)；以及分子膠囊，其被配置為封裝有要從上述分子發(fā)送機(jī)發(fā)送到上述分子接收機(jī)的上述信息分子；其中，上述分子發(fā)送機(jī)、上述分子接收機(jī)及上述分子膠囊的表面具有脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)，其中，該分子通信系統(tǒng)還包括封裝單元，其用于將第一化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子發(fā)送機(jī)，或施加到上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊，以將上述信息分子封入上述分子膠囊內(nèi)；以及解封單元，其用于將第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊，以從上述分子膠囊取出上述信息分子并將該信息分子取入上述分子接收機(jī)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子通信系統(tǒng)，其中，上述封裝單元預(yù)先在上述分子發(fā)送機(jī)的附近放置上述分子膠囊，并將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊，以在上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊的表面上暫時地形成孔，以使上述信息分子從上述分子發(fā)送機(jī)逸出，并進(jìn)入上述分子膠囊內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分子通信系統(tǒng)，其中，施加包含抗菌肽的溶液作為上述第一化學(xué)物質(zhì)，以在上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊的表面上形成上述孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子通信系統(tǒng)，其中，上述封裝單元將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到內(nèi)部具有上述信息分子的上述分子發(fā)送機(jī)，導(dǎo)致膜裂開從而使上述分子發(fā)送機(jī)的一部分分離，成為內(nèi)部封裝有上述信息分子的分子膠囊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分子通信系統(tǒng)，其中，施加包含溶血卵磷脂的溶液作為上述第一化學(xué)物質(zhì)以導(dǎo)致上述膜裂開。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子通信系統(tǒng)，其中，上述封裝單元將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到具有上述信息分子的上述分子發(fā)送機(jī)，以產(chǎn)生封裝有上述分子發(fā)送機(jī)內(nèi)部的上述信息分子的上述分子膠囊，并將所產(chǎn)生的分子膠囊放出到上述分子傳輸路徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的分子通信系統(tǒng)，其中，施加包含磷脂質(zhì)的微膠粒的溶液作為上述第一化學(xué)物質(zhì)，以產(chǎn)生并放出封裝有上述信息分子的上述分子膠囊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子通信系統(tǒng)，其中，上述解封單元將通過上述分子傳輸路徑傳輸?shù)纳鲜龇肿幽z囊放置在上述分子接收機(jī)附近，并將上述第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子膠囊和上述分子接收機(jī)，以在上述分子膠囊和上述分子接收機(jī)的表面上暫時地形成孔，以使上述信息分子可從上述分子膠囊逸出并進(jìn)入上述分子接收機(jī)內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的分子通信系統(tǒng)，其中，施加包含抗菌肽的溶液作為上述第二化學(xué)物質(zhì)，以在上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊的表面上形成上述孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分子通信系統(tǒng)，其中，上述解封單元將通過上述分子傳輸路徑傳輸?shù)纳鲜龇肿幽z囊放置在上述分子接收機(jī)附近，并將上述第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊，以使上述分子膠囊融合到上述分子接收機(jī)并且將上述信息分子取入上述分子接收機(jī)內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的分子通信系統(tǒng)，其中，施加包含鑭離子的溶液作為上述第二化學(xué)物質(zhì)，以使上述分子膠囊融合到上述分子接收機(jī)。
12.一種分子通信方法，該分子通信方法包括以下步驟制備分子發(fā)送機(jī)、分子接收機(jī)、以及用于將信息分子從上述分子發(fā)送機(jī)傳送到上述分子接收機(jī)的分子膠囊，使上述分子發(fā)送機(jī)、上述分子接收機(jī)以及上述分子膠囊具有脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)的表面；將第一化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子發(fā)送機(jī)，或施加到上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊，以將上述信息分子封入上述分子膠囊內(nèi)；將上述分子膠囊傳送到上述分子接收機(jī)；以及將第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊，以從上述分子膠囊取出上述信息分子并將該信息分子取入上述分子接收機(jī)內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分子通信方法，其中，上述第一化學(xué)物質(zhì)施加步驟包含如下的步驟預(yù)先在上述分子發(fā)送機(jī)的附近放置上述分子膠囊；以及將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊，以在上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊的表面上暫時地形成孔，以使上述信息分子可從上述分子發(fā)送機(jī)逸出并進(jìn)入上述分子膠囊內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的分子通信方法，其中，施加包含抗菌肽的溶液作為上述第一化學(xué)物質(zhì)，以在上述分子發(fā)送機(jī)和上述分子膠囊的表面上形成上述孔。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分子通信方法，其中，上述第一化學(xué)物質(zhì)施加步驟包含如下的步驟將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到內(nèi)部具有上述信息分子的上述分子發(fā)送機(jī)，導(dǎo)致膜裂開從而使上述分子發(fā)送機(jī)的一部分從上述分子發(fā)送機(jī)分離，成為封裝有上述信息分子的分子膠囊。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的分子通信方法，其中，施加包含溶血卵磷脂的溶液作為導(dǎo)致上述膜裂開的上述第一化學(xué)物質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分子通信方法，其中，上述第一化學(xué)物質(zhì)施加步驟包含如下的步驟將上述第一化學(xué)物質(zhì)施加到具有上述信息分子的上述分子發(fā)送機(jī)，以產(chǎn)生封裝有上述分子發(fā)送機(jī)內(nèi)部的上述信息分子的上述分子膠囊，并將所產(chǎn)生的分子膠囊放出到上述分子傳輸路徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的分子通信方法，其中，施加包含磷脂質(zhì)的微膠粒的溶液作為上述第一化學(xué)物質(zhì)，以產(chǎn)生并放出封裝有上述信息分子的上述分子膠囊。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分子通信方法，其中，上述第二化學(xué)物質(zhì)施加步驟包含如下的步驟將通過上述分子傳輸路徑傳輸?shù)纳鲜龇肿幽z囊放置在上述分子接收機(jī)附近；以及將上述第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊，以在上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊的表面上暫時地形成孔，以使上述信息分子可從上述分子膠囊逸出并進(jìn)入上述分子接收機(jī)內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的分子通信方法，其中，施加包含抗菌肽的溶液作為上述第二化學(xué)物質(zhì)，以在上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊的表面上形成上述孔。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的分子通信方法，其中，上述第二化學(xué)物質(zhì)施加步驟包含如下的步驟將通過上述分子傳輸路徑傳輸?shù)纳鲜龇肿幽z囊放置在上述分子接收機(jī)附近；以及將上述第二化學(xué)物質(zhì)施加到上述分子接收機(jī)和上述分子膠囊，以使上述分子膠囊融合到上述分子接收機(jī)并且將上述信息分子取入上述分子接收機(jī)內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的分子通信方法，其中，施加包含鑭離子的溶液作為上述第二化學(xué)物質(zhì)，以使上述分子膠囊融合到上述分子接收機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供分子通信系統(tǒng)及分子通信方法。實(shí)現(xiàn)在分子發(fā)送機(jī)側(cè)將信息分子封入分子膠囊，在分子接收機(jī)側(cè)將信息分子從分子膠囊取出并取入分子接收機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。分子通信系統(tǒng)包含發(fā)送編碼有規(guī)定信息的信息分子的分子發(fā)送機(jī)；接收信息分子的分子接收機(jī)；將信息分子從分子發(fā)送機(jī)傳送到分子接收機(jī)的分子傳輸路徑；和將從分子發(fā)送機(jī)傳送到分子接收機(jī)的信息分子內(nèi)包的分子膠囊。分子發(fā)送機(jī)、分子接收機(jī)及分子膠囊的表面由脂質(zhì)雙層膜構(gòu)成，分子通信系統(tǒng)還包含使第一化學(xué)物質(zhì)作用于分子發(fā)送機(jī)、或分子發(fā)送機(jī)和分子膠囊，將信息分子封入分子膠囊內(nèi)的單元；和使第二化學(xué)物質(zhì)作用于分子接收機(jī)和分子膠囊，從分子膠囊取出信息分子并取入分子接收機(jī)內(nèi)的單元。
文檔編號H04B14/04GK101064569SQ20071010773
公開日2007年10月31日 申請日期2007年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者森谷優(yōu)貴, 檜山聰, 須田達(dá)也 申請人:株式會社Ntt都科摩