La biofísica es una ciencia interdisciplinaria que aplica enfoques y métodos tradicionalmente utilizados en física para estudiar los fenómenos biológicos . [1] [2] [3] La biofísica cubre todas las escalas de organización biológica , desde la molecular hasta la orgánica y las poblaciones . La investigación biofísica comparte una superposición significativa con la bioquímica , biología molecular , química física , fisiología , nanotecnología , bioingeniería , biología computacional ,biomecánica , biología del desarrollo y biología de sistemas .
El término biofísica fue introducido originalmente por Karl Pearson en 1892. [4] [5] De manera ambigua, el término biofísica también se usa regularmente en la academia para indicar el estudio de las cantidades físicas (por ejemplo , corriente eléctrica , temperatura , estrés , entropía ) en biofísica. sistemas, que es, por definición, realizado por fisiología . Sin embargo, otras ciencias biológicas también realizan investigaciones sobre las propiedades biofísicas de los organismos vivos, incluyendo la biología molecular , biología celular , biología química y bioquímica .
Descripción general
La biofísica molecular normalmente aborda cuestiones biológicas similares a las de la bioquímica y la biología molecular , buscando encontrar los fundamentos físicos 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 utiliza una gran variedad de técnicas para responder a estas preguntas.
Las técnicas de imágenes fluorescentes , así como la microscopía electrónica , la cristalografía de rayos X , la espectroscopía de RMN , la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la dispersión de ángulo pequeño (SAS), tanto con rayos X como con neutrones (SAXS / SANS), se utilizan a menudo para visualizar estructuras. de importancia biológica. La dinámica de las proteínas se puede observar mediante espectroscopia de eco de espín de neutrones . El cambio conformacional en la estructura se puede medir utilizando técnicas como la interferometría de polarización dual , el dicroísmo circular , SAXS y SANS . La manipulación directa de moléculas con pinzas ópticas o AFM también se puede utilizar para monitorear eventos biológicos donde las fuerzas y distancias están en la nanoescala. Los biofísicos moleculares a menudo consideran los eventos biológicos complejos como sistemas de entidades interactuantes que pueden entenderse, por ejemplo, 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 de investigación extraordinariamente amplia, desde la bioelectrónica hasta la biología cuántica que incluye herramientas tanto experimentales como teóricas. Es cada vez más común que los biofísicos apliquen los modelos y técnicas experimentales derivadas 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 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 de 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) " tragar al médico ". La idea fue discutida en el ensayo de Feynman de 1959, Hay mucho espacio en la parte inferior . [8]
Historia
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 FW Ludwig y Johannes Peter Müller . [9] Incluso podría considerarse 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? por 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. [10]
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. [11]
Enfoque como subcampo
Si bien algunos colegios y universidades tienen departamentos dedicados de biofísica, generalmente a nivel de posgrado, muchos no tienen departamentos de biofísica de 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 al estudio de la biofísica. Esta lista no es exhaustiva. Tampoco cada materia de estudio pertenece exclusivamente a un departamento en particular. Cada institución académica establece sus propias reglas y hay mucha superposición entre los departamentos. [ cita requerida ]
- Biología y biología molecular - Regulación de genes , dinámica de proteínas únicas , bioenergética , patch clamping , biomecánica , virofísica .
- Biología estructural : estructuras de resolución Ångstrom de proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, carbohidratos y complejos de los mismos.
- Bioquímica y química : estructura biomolecular, siRNA, estructura de ácido nucleico, relaciones estructura-actividad.
- Ciencias de la computación : 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 gráficos / redes, modelado de poblaciones, sistemas dinámicos, filogenia .
- Medicina : investigación biofísica que enfatiza la medicina. La biofísica médica es un campo estrechamente relacionado con la fisiología. Explica varios aspectos y sistemas del cuerpo desde una perspectiva física y matemática. Algunos ejemplos son la dinámica de fluidos del flujo sanguíneo, la física de los gases de la respiración, la radiación en el diagnóstico / tratamiento y mucho más. La biofísica se enseña como asignatura preclínica en muchas facultades de medicina , principalmente en Europa.
- Neurociencia : estudiar las redes neuronales de forma experimental (corte del cerebro) y teóricamente (modelos informáticos), permitividad de la membrana, terapia génica, comprensión de los tumores.
- Farmacología y fisiología : canalómica , interacciones biomoleculares, membranas celulares, policétidos .
- Física : negentropía , procesos estocásticos y desarrollo de nuevas técnicas e instrumentación física , así como su aplicación.
- Biología cuántica : el campo de la biología cuántica aplica la mecánica cuántica a objetos y problemas biológicos. Isómeros decodificados para producir sustituciones de bases dependientes del tiempo. Estos estudios implican aplicaciones en computación cuántica.
- Agronomía y agricultura
Muchas técnicas biofísicas son exclusivas de este campo. Los esfuerzos de investigación en biofísica suelen ser iniciados por científicos que fueron biólogos, químicos o físicos por formación.
Ver también
- Sociedad Biofísica
- Índice de artículos de biofísica
- Lista de publicaciones en biología - Biofísica
- Lista de publicaciones en física - Biofísica
- Lista de biofísicos
- Esquema de biofísica
- Química biofísica
- Asociación de Sociedades Biofísicas Europeas
- Biofísica médica
- Biofísica de membranas
- Biofísica molecular
- Neurofísica
- Fisiomica
- Virofísica
Referencias
- ^ "Biofísica | ciencia" . Enciclopedia Británica . Consultado el 26 de julio de 2018 .
- ^ Zhou HX (marzo de 2011). "Preguntas y respuestas: ¿Qué es la biofísica?" . Biología BMC . 9 : 13. doi : 10.1186 / 1741-7007-9-13 . PMC 3055214 . PMID 21371342 .
- ^ "la definición de biofísica" . www.dictionary.com . Consultado el 26 de julio de 2018 .
- ^ Pearson, Karl (1892). La gramática de la ciencia . pag. 470.
- ^ Roland Glaser . Biofísica: una introducción . Saltador; 23 de abril de 2012. ISBN 978-3-642-25212-9 .
- ^ Sahai, Erik; Trepat, Xavier (julio de 2018). "Principios físicos de mesoescala de la organización celular colectiva". Física de la naturaleza . 14 (7): 671–682. Código bibliográfico : 2018NatPh..14..671T . doi : 10.1038 / s41567-018-0194-9 . ISSN 1745-2481 . S2CID 125739111 .
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- ^ Feynman RP (diciembre de 1959). "Hay mucho espacio en la parte inferior" . Archivado desde el original el 11 de febrero de 2010 . Consultado el 1 de enero de 2017 .
- ^ Franceschetti DR (15 de mayo de 2012). Ciencias aplicadas . Salem Press Inc. pág. 234. ISBN 978-1-58765-781-8.
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Fuentes
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En ruso, resumen en inglés. Traducciones disponibles en italiano, español, inglés, francés
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- Sneppen K, Zocchi G (17 de octubre de 2005). Física en Biología Molecular (1 ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 978-0-521-84419-2.
- Glaser R (23 de noviembre de 2004). Biofísica: Introducción (Ed. Corregida). Saltador. ISBN 978-3-540-67088-9.
- Hobbie RK, Roth BJ (2006). Física intermedia para la medicina y la biología (4ª ed.). Saltador. ISBN 978-0-387-30942-2.
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- Goldfarb D (2010). Biofísica desmitificada . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-163365-9.
enlaces externos
- Sociedad Biofísica
- Journal of Physiology: edición virtual de 2012 Biophysics and Beyond
- bio-física-wiki
- Archivo de enlaces de recursos de aprendizaje para estudiantes: biophysika.de (60% inglés, 40% alemán)