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Erschienen in:

23.05.2024 | Research Paper

Analysis of Signal Distortion in Molecular Communication Channels Using Frequency Response

verfasst von: Shoichiro Kitada, Taishi Kotsuka, Yutaka Hori

Erschienen in: New Generation Computing | Ausgabe 2/2024

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Abstract

Der Artikel geht auf die grundlegenden Eigenschaften molekularer Kommunikationskanäle (MC) ein und konzentriert sich dabei auf Signalverzerrungen, die durch Diffusions- und Empfangsprozesse verursacht werden. Es werden Indizes eingeführt, um Amplituden- und Verzögerungsverzerrungen zu quantifizieren, die aus der Frequenzantwortanalyse abgeleitet werden. Die Autoren schlagen eine Methode zur Konzeption von MC-Kanälen vor, die Verzerrungen minimieren und eine zuverlässige Signalübertragung gewährleisten. Die Studie ist besonders relevant für Anwendungen in der synthetischen Biologie, wo eine präzise Signalübertragung für komplexe Aufgaben auf Bevölkerungsebene unverzichtbar ist. Der Beitrag schließt mit einer Diskussion über die Rolle von MC-Kanälen in der Natur, die die Vielseitigkeit unterschiedlicher Signalmoleküle in verschiedenen biologischen Kontexten hervorhebt.

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Literatur
1.
Zurück zum Zitat Bassler, B.L.: Small talk: cell-to-cell communication in bacteria. Cell 109(4), 421–424 (2002)CrossRef Bassler, B.L.: Small talk: cell-to-cell communication in bacteria. Cell 109(4), 421–424 (2002)CrossRef
2.
Zurück zum Zitat Waters, C.M., Bassler, B.L., et al.: Quorum sensing: cell-to-cell communication in bacteria. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 21(1), 319–346 (2005)CrossRef Waters, C.M., Bassler, B.L., et al.: Quorum sensing: cell-to-cell communication in bacteria. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 21(1), 319–346 (2005)CrossRef
3.
Zurück zum Zitat Armingol, E., Officer, A., Harismendy, O., Lewis, N.E.: Deciphering cell–cell interactions and communication from gene expression. Nat. Rev. Genet. 22(2), 71–88 (2021)CrossRef Armingol, E., Officer, A., Harismendy, O., Lewis, N.E.: Deciphering cell–cell interactions and communication from gene expression. Nat. Rev. Genet. 22(2), 71–88 (2021)CrossRef
4.
Zurück zum Zitat De Kievit, T.R., Iglewski, B.H.: Bacterial quorum sensing in pathogenic relationships. Infect. Immun. 68(9), 4839–4849 (2000)CrossRef De Kievit, T.R., Iglewski, B.H.: Bacterial quorum sensing in pathogenic relationships. Infect. Immun. 68(9), 4839–4849 (2000)CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Miller, M.B., Bassler, B.L.: Quorum sensing in bacteria. Annu. Rev. Microbiol. 55(1), 165–199 (2001)CrossRef Miller, M.B., Bassler, B.L.: Quorum sensing in bacteria. Annu. Rev. Microbiol. 55(1), 165–199 (2001)CrossRef
6.
Zurück zum Zitat Femminella, M., Reali, G., Vasilakos, A.V.: A molecular communications model for drug delivery. IEEE Trans. Nanobiosci. 14(8), 935–945 (2015)CrossRef Femminella, M., Reali, G., Vasilakos, A.V.: A molecular communications model for drug delivery. IEEE Trans. Nanobiosci. 14(8), 935–945 (2015)CrossRef
7.
Zurück zum Zitat Suda, T., Nakano, T.: Molecular communication: a personal perspective. IEEE Trans. Nanobiosci. 17(4), 424–432 (2018)CrossRef Suda, T., Nakano, T.: Molecular communication: a personal perspective. IEEE Trans. Nanobiosci. 17(4), 424–432 (2018)CrossRef
11.
Zurück zum Zitat Pierobon, M., Akyildiz, I.F.: A physical end-to-end model for molecular communication in nanonetworks. IEEE J. Sel. Areas Commun. 28(4), 602–611 (2010)CrossRef Pierobon, M., Akyildiz, I.F.: A physical end-to-end model for molecular communication in nanonetworks. IEEE J. Sel. Areas Commun. 28(4), 602–611 (2010)CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Chude-Okonkwo, U.A., Malekian, R., Maharaj, B.T.: Diffusion-controlled interface kinetics-inclusive system-theoretic propagation models for molecular communication systems. EURASIP J. Adv. Signal Process. 2015(1), 1–23 (2015)CrossRef Chude-Okonkwo, U.A., Malekian, R., Maharaj, B.T.: Diffusion-controlled interface kinetics-inclusive system-theoretic propagation models for molecular communication systems. EURASIP J. Adv. Signal Process. 2015(1), 1–23 (2015)CrossRef
13.
Zurück zum Zitat Kotsuka, T., Hori, Y.: Frequency response of diffusion-based molecular communication channels in bounded environment. In: Proceeding of European Control Conference, pp. 327–332. IEEE, London, United Kingdom (2022) Kotsuka, T., Hori, Y.: Frequency response of diffusion-based molecular communication channels in bounded environment. In: Proceeding of European Control Conference, pp. 327–332. IEEE, London, United Kingdom (2022)
15.
Zurück zum Zitat Hill, A.V.: The possible effects of the aggregation of the molecules of haemoglobin on its dissociation curves. J. Physiol. 40, 4–7 (1910) Hill, A.V.: The possible effects of the aggregation of the molecules of haemoglobin on its dissociation curves. J. Physiol. 40, 4–7 (1910)
16.
Zurück zum Zitat Cozens-Roberts, C., Lauffenburger, D.A., Quinn, J.A.: Receptor-mediated cell attachment and detachment kinetics. I. Probabilistic model and analysis. Biophys. J. 58(4), 841–856 (1990)CrossRef Cozens-Roberts, C., Lauffenburger, D.A., Quinn, J.A.: Receptor-mediated cell attachment and detachment kinetics. I. Probabilistic model and analysis. Biophys. J. 58(4), 841–856 (1990)CrossRef
17.
Zurück zum Zitat ShahMohammadian, H., Messier, G.G., Magierowski, S.: Nano-machine molecular communication over a moving propagation medium. Nano Commun. Netw. 4(3), 142–153 (2013)CrossRef ShahMohammadian, H., Messier, G.G., Magierowski, S.: Nano-machine molecular communication over a moving propagation medium. Nano Commun. Netw. 4(3), 142–153 (2013)CrossRef
18.
Zurück zum Zitat Lauffenburger, D.A., Linderman, J.: Receptors: models for binding, trafficking, and signaling. Oxford University Press, New York (1996) Lauffenburger, D.A., Linderman, J.: Receptors: models for binding, trafficking, and signaling. Oxford University Press, New York (1996)
19.
Zurück zum Zitat Lathi, B.P., Green, R.A.: Linear systems and signals. Oxford University Press, New York (2005) Lathi, B.P., Green, R.A.: Linear systems and signals. Oxford University Press, New York (2005)
20.
Zurück zum Zitat Carlson, A.B., Crilly, P.B., Rutledge, J.C., Carlson, B., Crilly, P.: Communication systems. McGraw-Hill, New York (1968) Carlson, A.B., Crilly, P.B., Rutledge, J.C., Carlson, B., Crilly, P.: Communication systems. McGraw-Hill, New York (1968)
22.
Zurück zum Zitat Schiff, J.L.: The Laplace Transform: Theory and Applications. Springer, New York (2013) Schiff, J.L.: The Laplace Transform: Theory and Applications. Springer, New York (2013)
23.
Zurück zum Zitat Mosetti, R.: Analysis of a feedback system governed by the diffusion equation. Il Nuovo Cimento C 8, 55–62 (1985)CrossRef Mosetti, R.: Analysis of a feedback system governed by the diffusion equation. Il Nuovo Cimento C 8, 55–62 (1985)CrossRef
24.
Zurück zum Zitat Karig, D., Martini, K.M., Lu, T., DeLateur, N.A., Goldenfeld, N., Weiss, R.: Stochastic Turing patterns in a synthetic bacterial population. Proc. Natl. Acad. Sci. 115(26), 6572–6577 (2018)CrossRef Karig, D., Martini, K.M., Lu, T., DeLateur, N.A., Goldenfeld, N., Weiss, R.: Stochastic Turing patterns in a synthetic bacterial population. Proc. Natl. Acad. Sci. 115(26), 6572–6577 (2018)CrossRef
26.
Zurück zum Zitat Weber, M., Buceta, J.: Noise regulation by quorum sensing in low mRNA copy number systems. BMC Syst. Biol. 5(1), 1–13 (2011)CrossRef Weber, M., Buceta, J.: Noise regulation by quorum sensing in low mRNA copy number systems. BMC Syst. Biol. 5(1), 1–13 (2011)CrossRef
28.
Zurück zum Zitat Söldner, C.A., Socher, E., Jamali, V., Wicke, W., Member, G.S., Ahmadzadeh, A., Breitinger, H.-G., Burkovski, A., Castiglione, K., Schober, R., Sticht, H.: A Survey of biological building blocks for synthetic molecular communication systems. IEEE Commun. Surv. Tutor. 22(4), 2765–2800 (2020)CrossRef Söldner, C.A., Socher, E., Jamali, V., Wicke, W., Member, G.S., Ahmadzadeh, A., Breitinger, H.-G., Burkovski, A., Castiglione, K., Schober, R., Sticht, H.: A Survey of biological building blocks for synthetic molecular communication systems. IEEE Commun. Surv. Tutor. 22(4), 2765–2800 (2020)CrossRef
Metadaten
Titel
Analysis of Signal Distortion in Molecular Communication Channels Using Frequency Response
verfasst von
Shoichiro Kitada
Taishi Kotsuka
Yutaka Hori
Publikationsdatum
23.05.2024
Verlag
Springer Japan
Erschienen in
New Generation Computing / Ausgabe 2/2024
Print ISSN: 0288-3635
Elektronische ISSN: 1882-7055
DOI
https://doi.org/10.1007/s00354-024-00258-1