Biofísica

La biofísica es una ciencia interdisciplinaria que aplica enfoques y métodos tradicionalmente utilizados en física para estudiar fenómenos biológicos . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

La biofísica molecular aborda cuestiones biológicas similares a las de la bioquímica y la biología molecular , buscando comprender los fundamentos físicos de los fenómenos biomoleculares. Los científicos de este campo investigan las interacciones entre los diversos sistemas celulares, incluyendo las interacciones entre el ADN , el ARN y la biosíntesis de proteínas , así como la regulación de dichas interacciones. Para responder a estas preguntas, se utiliza una gran variedad de técnicas.

La biofísica abarca todas las escalas de organización biológica , desde la molecular hasta la orgánica 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 . Técnicas de imagen por fluorescencia , así como microscopía electrónica , cristalografía de rayos X , espectroscopia de RMN , microscopía de fuerza atómica (AFM) y dispersión de ángulo pequeño (SAS).

La dispersión de rayos X de ángulo pequeño y la dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SAXS/SANS) se utilizan frecuentemente para visualizar estructuras de importancia biológica. La dinámica de las proteínas se puede observar mediante espectroscopia de eco de espín de neutrones . Los cambios conformacionales en la estructura se pueden medir utilizando técnicas como la interferometría de doble polarización , el dicroísmo circular , SAXS y SANS . La manipulación directa de moléculas mediante pinzas ópticas o AFM también se puede utilizar para monitorizar eventos biológicos donde las fuerzas y las distancias se encuentran en la nanoescala. Los biofísicos moleculares suelen considerar los eventos biológicos complejos como sistemas de entidades que interactúan, los cuales pueden comprenderse, por ejemplo, mediante la mecánica estadística , la termodinámica y la cinética química . Al aprovechar el conocimiento y las 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.

La física médica , una rama de la biofísica, es cualquier aplicación de la física a la medicina o la atención sanitaria , 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 (véase nanomáquinas ). Feynman y Albert Hibbs sugirieron que ciertas máquinas de reparación podrían algún día reducirse de tamaño hasta el punto de que sería posible (como dijo Feynman) " tragarse al médico ". La idea se trató en el ensayo de Feynman de 1959, There's Plenty of Space at the Bottom . ^{[ 5 ]}

El término biofísica también se usa regularmente en el ámbito académico para indicar el estudio de las magnitudes físicas (por ejemplo, corriente eléctrica , temperatura , tensión , entropía ) en sistemas biológicos. Otras ciencias biológicas también realizan investigaciones sobre las propiedades biofísicas de los organismos vivos, incluyendo la biología molecular , la biología celular , la biología química y la bioquímica . Además de los temas biofísicos tradicionales (es decir, moleculares y celulares) como la biología estructural o la cinética enzimática , la biofísica moderna abarca un rango de investigación extraordinariamente amplio, desde la bioelectrónica hasta la biología cuántica, que involucra herramientas tanto experimentales como teóricas. Cada vez es más común ^{[ 4 ]} que los biofísicos apliquen los modelos y las técnicas experimentales derivados de la física , así como de las matemáticas y la estadística , a sistemas más grandes como tejidos , órganos ^{[ 6 ]} , poblaciones ^{[ 7 ]} 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 el cerebro completo.

Los estudios de Luigi Galvani (1737-1798) sentaron las bases del posterior campo de la biofísica. Algunos de los primeros estudios en biofísica fueron realizados en la década de 1840 por un grupo conocido como la escuela de fisiólogos de Berlín. Entre sus miembros se encontraban pioneros como Hermann von Helmholtz , Ernst Heinrich Weber , Carl F. W. Ludwig y Johannes Peter Müller . ^{[ 8 ]}

El término biofísica fue introducido originalmente por Karl Pearson en 1892. ^{[ 9 ] [ 10 ]} A William T. Bovie (1882–1958) se le atribuye ser un líder del desarrollo posterior del campo a mediados del siglo XX. Fue un líder en el desarrollo de la electrocirugía .

La popularidad de este campo aumentó con la publicación del libro ¿Qué es la vida? de Erwin Schrödinger . Desde 1957, los biofísicos se han organizado en la Sociedad Biofísica, que actualmente cuenta con unos 9000 miembros en todo el mundo. ^{[ 11 ]}

Algunos autores, como Robert Rosen, critican la biofísica argumentando que el método biofísico no tiene en cuenta la especificidad de los fenómenos biológicos. ^{[ 12 ]}

Si bien algunas universidades cuentan con departamentos dedicados a la biofísica, generalmente a nivel de posgrado, muchas carecen de ellos, y en su lugar tienen grupos en departamentos afines como bioquímica , biología celular , química , informática , ingeniería , matemáticas , medicina , biología molecular , neurociencia , farmacología , física y fisiología . Dependiendo de las fortalezas de cada departamento en una universidad, se dará diferente énfasis a los campos de la biofísica. A continuación, se presenta una lista de ejemplos de cómo cada departamento aplica sus esfuerzos al estudio de la biofísica. Esta lista no es exhaustiva. Tampoco cada tema de estudio pertenece exclusivamente a un departamento en particular. Cada institución académica establece sus propias normas y existe mucha superposición entre los departamentos.

• Biología y biología molecular : regulación génica , dinámica de proteínas individuales , bioenergética , patch clamp , biomecánica , virofísica .
• Biología estructural : estructuras de proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, carbohidratos y sus complejos, con una resolución de angstrom.
• Bioquímica y química : estructura biomolecular, ARNip, estructura de ácidos nucleicos, relaciones estructura-actividad.
• Informática : redes neuronales , bases de datos biomoleculares y de fármacos.
• Química computacional : simulación de dinámica molecular , acoplamiento molecular , química cuántica.
• Bioinformática : alineación de secuencias , alineación estructural , predicción de la estructura de proteínas.
• Matemáticas : teoría de grafos/redes, modelado de poblaciones, sistemas dinámicos, filogenética .
• La biofísica médica es un campo de investigación biofísica estrechamente relacionado con la fisiología. Explica diversos aspectos y sistemas del cuerpo desde una perspectiva física y matemática. Algunos ejemplos son la dinámica de fluidos del flujo sanguíneo, la física de gases de la respiración, la radiación en el diagnóstico y tratamiento, entre otros. La biofísica se imparte como asignatura preclínica en muchas facultades de medicina , principalmente en Europa.
• Neurociencia : estudio de las redes neuronales tanto experimentalmente (cortes cerebrales) como teóricamente (modelos informáticos), permitividad de la membrana .
• Farmacología y fisiología : canalómica , electrofisiología , interacciones biomoleculares, membranas celulares, policétidos .
• Física : negentropía , procesos estocásticos y el desarrollo de nuevas técnicas e instrumentación físicas , así como su aplicación.
• Biología cuántica : Este campo aplica la mecánica cuántica a objetos y problemas biológicos. Se estudian isómeros decoherentes para generar sustituciones de bases dependientes del tiempo. Estos estudios tienen aplicaciones en la computación cuántica.
• Agronomía y agricultura

Muchas técnicas biofísicas son exclusivas de este campo. Las investigaciones en biofísica suelen ser iniciadas por científicos que se formaron como biólogos, químicos o físicos.

• Sociedad Biofísica
• Revista de Fisiología: Número virtual de 2012 Biofísica y más allá
• wiki de biofísica
• Archivo de enlaces con recursos de aprendizaje para estudiantes: biophysika.de (60% en inglés, 40% en alemán)