Internet of Bio-NanoThings for Prediction and Prevention of Infectious Diseases

Det «Molecular Communications» -motiverte perspektivet brukes i «Clipeus» til å abstrahere problemet med tidlig oppdagelse av bakterielle infeksjoner. En klart definert sender (en bakteriell infeksjon) sender signal gjennom en kanal (biologisk vev) og videre til en mottaker (Bio-Nano-maskin). Konseptet er basert på fokuset fra vår forskning utført i 2022 med undersøkelsene av en bakteriebasert Bio-Nano mottaker/sensor. Denne sensorens integrerte komponent består av konstruerte, genetisk endrede bakterier for å registrere en analytt (f.eks. et «Quorum Sensing»-signal). Denne analytten responderer med et målbart lyssignal gjennom bioluminescens/fluorescens. De intrikate biokjemiske prosessene, fra molekylopptak i bakteriecellene til ekspresjonen av bioluminescens ( LuxABCDE ) gener ligger til grunn for denne prosessen. Vi vil undersøke disse prosessene for å utvikle pålitelige kvantitative modeller som kan beskrive og forutsi slike bakteriesensorers respons på et signal fra en infeksiøs prosess. For dette formålet har vi utviklet matematiske modeller basert på både litteraturstudier av relevante vitenskapelige publikasjoner innen mikrobiologi, og egne empiriske data. Disse modellene består av en rekke differensialligninger som følger godt studerte biokjemiske prinsipper inkludert General-Mass Action, Chemical Langevin, Michaelis-Menten kinetikk som fanger opp tidsutviklingen til kjemiske stoffer involvert i reaksjonskaskaden som blir initiert av målsignalet, utrykt ved det resulterende luminescenssignalet. Både numeriske og analytiske tilnærminger har blitt undersøkt og relevante systemparametere er blitt utledet ved bruk av den utviklede modellen og innhentet empiri. De eksperimentelle dataene er samlet inn i en serie innledende in-vitro-analysebaserte eksperimenter. Dette har resultert i tidsserieluminescensdata for ulike inngangskonsentrasjoner av målsignalet. Mens den første prosjektbeskrivelsen ville fokusere på undersøkelse av bakterielle infeksjoner av den gramnegative Pseudomonas aeruginosa – stammen. Vi har vurdert og analysert faktorer som angår tilgjengelighet og realisasjonsmuligheter i samarbeid med ekspertise fra biologene involvert i prosjektet. Etter en dyptgående vitenskapelig gjennomgang ble prosjektets fokus rettet mot analysen av Grampositive bakterier av Streptococcus mutans- stammer som finnes i munnhulen hos pattedyr. Infeksjon med disse bakteriene kan føre til vertens tannråte. Fokus for fremtidig forskning på dette området vil ligge på videre matematisk modellering, med et klart mål om å finne frem til numeriske funn som fanger opp den dynamikken som kan forventes i en bakteriebasert sensor. Videre vil partikkelbaserte Monte-Carlo-simuleringer som fanger opp den stokastiske naturen til det undersøkte molekylbaserte systemet, bli utført. Det er forventet at eksperimentelt fokus vil skifte mot «micro-fluidic» baserte eksperimenter siden disse tillater ekstremt presise observasjoner av cellulær dynamikk med en oppløsning nært enkeltcellenivå. Integreringen av levende bakterier i en faktisk fysisk nanosensor vil være et ytterligere viktig prosjektfokus i 2023.

Our ability to miniaturize sensors and electronics is unprecedented, and our understanding of biological systems enables fine-grained manipulation of cellular behavior down to the molecular level. This project will leverage the PIs’ unique combination of expertise at the crossroads of biology, bio-sensor interface design, and wireless communications, to address the challenges for human health applications such as prediction and prevention of infections. CLIPEUS (Shield in Latin) aims at creating a communications network among man-made implantable devices and the natural cells inside the body under the novel communication paradigm, called Internet of Bio-NanoThings, where sensing, actuation, and computing processes are tightly coupled to pervasively, perpetually, and precisely sense, process, control, and exchange health information of the body in real time to defend it against infections. CLIPEUS focuses on the detection of infections inside the body based on the detection of the molecular communication among the infectious bacteria by man-made bio-nanothings, called GLADIO (Sword in Latin), consisting of bionanosensors for detection, low power electronics for processing and antenna for near field communication to transfer the data through the tissues to outside of the body. Due to the power limitations of GLADIO, the inherent noise of biological processes, and the non-deterministic response of patients to infections, the collected data will be sparse and noisy. Novel machine learning techniques will be developed to interpret this data for future personalized medicine applications. The system will be extensively tested and ameliorated by phantom experiments as a first step before in vivo experiments. The project will recruit and train 2 PhD students and 2 Postdocs and has drawn up a comprehensive, multifaceted plan to disseminate, communicate and exploit the project results.