Biofísica

Kinesin utiliza dinámicas de dominio de proteínas en nanoescalas para "caminar" a lo largo de un microtúbulo.

La biofísica es una ciencia interdisciplinar que aplica enfoques y métodos tradicionalmente utilizados en física para estudiar fenómenos biológicos. La biofísica cubre todas las escalas de la organización biológica, desde molecular hasta organísmica y poblacional. La investigación biofísica comparte una superposición significativa con la bioquímica, la biología molecular, la química física, la fisiología, la nanotecnología, la bioingeniería, la biología computacional, la biomecánica, la biología del desarrollo y la biología de sistemas.

El término biofísica fue introducido originalmente por Karl Pearson en 1892. El término biofísica también se usa regularmente en el mundo académico para indicar el estudio de las cantidades físicas (por ejemplo, corriente eléctrica, temperatura, estrés, entropía) en sistemas biológicos. Otras ciencias biológicas también realizan investigaciones sobre las propiedades biofísicas de los organismos vivos, incluida la biología molecular, la biología celular, la biología química y la bioquímica.

Resumen

La biofísica molecular generalmente aborda cuestiones biológicas similares a las de la bioquímica y la biología molecular, buscando encontrar las bases físicas de los fenómenos biomoleculares. Los científicos en este campo realizan investigaciones relacionadas con la comprensión de las interacciones entre los diversos sistemas de una célula, incluidas las interacciones entre el ADN, el ARN y la biosíntesis de proteínas, así como la forma en que se regulan estas interacciones. Se utilizan una gran variedad de técnicas para responder a estas preguntas.

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza dinámicas de proteínas

A menudo se utilizan técnicas de imágenes fluorescentes, así como microscopía electrónica, cristalografía de rayos X, espectroscopia de RMN, microscopía de fuerza atómica (AFM) y dispersión de ángulo pequeño (SAS), tanto con rayos X como con neutrones (SAXS/SANS). para visualizar estructuras de importancia biológica. La dinámica de proteínas se puede observar mediante espectroscopía de eco de espín de neutrones. El cambio conformacional en la estructura se puede medir utilizando técnicas como interferometría de polarización dual, dicroísmo circular, SAXS y SANS. La manipulación directa de moléculas usando pinzas ópticas o AFM también se puede usar para monitorear eventos biológicos donde las fuerzas y las distancias están en la nanoescala. Los biofísicos moleculares a menudo consideran eventos biológicos complejos como sistemas de entidades que interactúan que pueden entenderse, p. a través de la mecánica estadística, la termodinámica y la cinética química. Al extraer conocimientos y técnicas experimentales de una amplia variedad de disciplinas, los biofísicos a menudo pueden observar, modelar o incluso manipular directamente las estructuras e interacciones de moléculas individuales o complejos de moléculas.

Además de los temas biofísicos tradicionales (es decir, moleculares y celulares) como la biología estructural o la cinética enzimática, la biofísica moderna abarca una gama extraordinariamente amplia de investigación, desde la bioelectrónica hasta la biología cuántica, que involucra tanto herramientas experimentales como teóricas. Cada vez es más común que los biofísicos apliquen los modelos y las técnicas experimentales derivadas de la física, así como las matemáticas y la estadística, a sistemas más grandes, como tejidos, órganos, poblaciones y ecosistemas. Los modelos biofísicos se utilizan ampliamente en el estudio de la conducción eléctrica en neuronas individuales, así como en el análisis de circuitos neuronales tanto en tejidos como en todo el cerebro.

La física médica, una rama de la biofísica, es cualquier aplicación de la física a la medicina o al cuidado de la salud, desde la radiología hasta la microscopía y la nanomedicina. Por ejemplo, el físico Richard Feynman teorizó sobre el futuro de la nanomedicina. Escribió sobre la idea de un uso médico para las máquinas biológicas (ver nanomáquinas). Feynman y Albert Hibbs sugirieron que ciertas máquinas de reparación podrían algún día reducir su tamaño hasta el punto de que sería posible (como dijo Feynman) 'tragarse al médico'. La idea se discutió en el ensayo de Feynman de 1959 Hay mucho espacio en el fondo.

Historia

Algunos de los primeros estudios de biofísica fueron realizados en la década de 1840 por un grupo conocido como la escuela de fisiólogos de Berlín. Entre sus miembros fueron pioneros como Hermann von Helmholtz, Ernst Heinrich Weber, Carl F. W. Ludwig y Johannes Peter Müller. Incluso se podría considerar que la biofísica se remonta a los estudios de Luigi Galvani.

La popularidad del campo aumentó cuando se publicó el libro ¿Qué es la vida? de Erwin Schrödinger. Desde 1957, los biofísicos se han organizado en la Sociedad Biofísica, que ahora cuenta con unos 9.000 miembros en todo el mundo.

Algunos autores como Robert Rosen critican la biofísica sobre la base de que el método biofísico no tiene en cuenta la especificidad de los fenómenos biológicos.

Enfocar como un subcampo

Si bien algunas facultades y universidades tienen departamentos dedicados a la biofísica, generalmente a nivel de posgrado, muchas no tienen departamentos de biofísica a nivel universitario, sino que tienen grupos en departamentos relacionados, como bioquímica, biología celular, química, informática, ingeniería, matemáticas, medicina, biología molecular, neurociencia, farmacología, física y fisiología. Dependiendo de las fortalezas de un departamento en una universidad, se le dará un énfasis diferente a los campos de la biofísica. Lo que sigue es una lista de ejemplos de cómo cada departamento aplica sus esfuerzos hacia el estudio de la biofísica. Esta lista es difícilmente inclusiva. Tampoco cada materia de estudio pertenece exclusivamente a un departamento en particular. Cada institución académica hace sus propias reglas y hay mucha superposición entre los departamentos.

• Biología y biología molecular – Regulación genética, dinámica de proteínas únicas, bioenergética, fijación de parches, biomecánica, virofísica.
• Biología estructural – estructuras de resolución Ångstrom de proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, carbohidratos y complejos de ellos.
• Bioquímica y química – estructura biomolecular, siRNA, estructura de ácido nucleico, relaciones estructura-actividad.
• Ciencia informática – Redes neuronales, bases de datos biomoleculares y de drogas.
• Química computacional: simulación de dinámica molecular, acoplamiento molecular, química cuántica
• Bioinformática – alineación de secuencias, alineación estructural, predicción de la estructura de proteínas
• Matemáticas – teoría gráfica/network, modelado demográfico, sistemas dinámicos, filogenética.
• Medicina – investigación biofísica que enfatiza la medicina. La biofísica médica es un campo estrechamente relacionado con la fisiología. Explica diversos aspectos y sistemas del cuerpo desde una perspectiva física y matemática. Ejemplos son dinámicas fluidas de flujo sanguíneo, física de gas de respiración, radiación en diagnóstico/tratamiento y mucho más. La biofísica se enseña como asignatura preclínica en muchas escuelas médicas, principalmente en Europa.
• Neurociencia – estudiar las redes neuronales experimentalmente (adelgazamiento cerebral) así como teóricamente (modelos de ordenador), permiso de membrana.
• Farmacología y fisiología – canalómica, electrofisiología, interacciones biomoleculares, membranas celulares, poliketides.
• Física – negentropía, procesos estocásticos, y el desarrollo de nuevas técnicas físicas e instrumentación, así como su aplicación.
• Biología cuántica – El campo de la biología cuántica aplica la mecánica cuántica a los objetos y problemas biológicos. Decohered isomers to yield time- dependent base substitutions. Estos estudios implican aplicaciones en la computación cuántica.
• Agronomía y agricultura

Muchas técnicas biofísicas son exclusivas de este campo. Los esfuerzos de investigación en biofísica a menudo son iniciados por científicos que eran biólogos, químicos o físicos de formación.