Unveiling the promise of molecular communication: from theory to practice

Molecular Communication (MC) represents a novel paradigm shift in telecommunication sciences, offering unique advantages and opportunities across diverse domains. MC harnesses the natural language of biological systems, composed of intricate signaling pathways and molecular interactions, to reproduce and analyze communication systems where information transmission relies on the transport of molecules/particles from transmitters to receivers. From its inception, MC has stood as a highly interdisciplinary field, relying on the cooperation of physicists, information/electronic engineers, biologists, biotechnologists, and bioengineers. Unfortunately, achieving such collaboration has proven challenging, as to date, MC is primarily known among telecommunication scientists. This facet underpins the lack of proof for possible practical applications of MC theory. In this dissertation, the primary attempt is to chart a course to unlock the full potential of MC theory by i) elucidating its theoretical foundations, ii) exploring novel computational approaches, iii) integrating biological insights, and iv) finally showcasing two real-world applications in the fields of environmental engineering and biotechnology. The ultimate goal is to transform MC from a theoretical concept into a practical reality with far-reaching implications for science, engineering, and medicine.

La Comunicazione Molecolare (MC) è un nuovo paradigma nelle scienze delle telecomunicazioni che offre vantaggi e opportunità uniche in diversi contesti applicativi. La MC sfrutta il linguaggio naturale dei sistemi biologici, composto da complessi percorsi di segnalazione e interazioni molecolari, per riprodurre e analizzare sistemi di comunicazione in cui la trasmissione delle informazioni è basata sul trasporto di molecole/particelle da trasmettitori a ricevitori. Fin dalla sua nascita, la MC si è affermata come un campo di ricerca altamente interdisciplinare, basato sulla collaborazione tra fisici, ingegneri informatici e elettronici, biologi, biotecnologi e bioingegneri. Tuttavia, raggiungere tale collaborazione è complesso, poiché ad oggi la MC è conosciuta soprattutto nel settore delle telecomunicazioni. Quest’ultimo aspetto è una delle principali cause della mancanza di dimostrazioni tangibili di possibili applicazioni pratiche della teoria della MC. In questa dissertazione, il tentativo principale è tracciare un percorso per rivelare il pieno potenziale della teoria della MC attraverso i) la definizione delle sue fondamenta teoriche, ii) l’esplorazione di nuovi approcci computazionali, iii) l’integrazione di conoscenze biologiche, e iv) infine presentando due applicazioni realistiche nei campi dell’ingegneria ambientale e delle biotecnologie. L’obiettivo finale è trasformare la MC da un concetto teorico a una realtà pratica con implicazioni di vasta portata per la scienza, l’ingegneria e la medicina.