¿Qué es la Biofísica?

ejemplo de aplicacion biofisica

La biofísica es la disciplina de la ciencia que combina la biología y la física para estudiar los seres vivos.

Los biofísicos son profesionales que deben entender a la perfección la relación entre la biología y la física con el objetivo de entender a nivel fundamental los procesos biológicos y bioquímicos de los organismos.

La bioquímica y la biofísica son áreas que trabajan en perfecta combinación. Cada vez es más común estudiar los procesos bioquímicos de las células a través de simulaciones computacionales empleando métodos biofísicos.

Otros ejemplos del uso de la física aplicada a la biología es la generación de prótesis, estudio del sistema nervioso a través de modelos electromagnéticos o como afecta la radiación a los seres vivos usando modelos de radiactividad.

La biofísica ha cobrado mucha importancia en los últimos años gracias a la fusión de la física, la ingeniería y la biología.

La mejora exponencial de las nuevas tecnologías ha permitido, por ejemplo, el uso de superordenadores para estudiar con detalle proteínas, fármacos o el material genético.

A demás, la mejora en la ingeniería ha posibilitado el avance de la biónica, mejorando la fusión entre los sistemas biológicos y los electrónicos.

Toda esta evolución a nivel tecnológico está permitiendo aumentar la calidad de vida de muchas personas en el mundo, ya sea por la mejor comprensión de nuestras células pudiendo diseñar fármacos más efectivos o por la sustitución de partes del cuerpo no funcionales por sistemas electrónicos capaces de sustituirlos.

La relación de la física con la biología

El campo de la biología y de la física están estrechamente relacionados. Todo lo que estudiamos a nivel celular, tisular y como organismo viene determinado por las leyes más fundamentales del universo, estudiadas por la física.

Al fin y al cabo todas las interacciones y reacciones que suceden a nivel celular y metabólico vienen determinadas por fuerzas electromagnéticas.

El intercambio de electrones en reacciones enzimáticas está guiado por los fenómenos cuánticos de dichos electrones.

La movilidad de bacterias en un medio acuoso está determinada por el movimiento de cilios o flagelos en un medio liquido, el cual puede ser explicado con modelos físicos de movimiento en fluidos.

Como vemos, todo lo que sucede en los organismos vivos, puede ser estudiado des de un punto de vista físico.

Todo lo que pasa en nuestro cosmos es resultado de lo que sucede a nivel atómico y subatómico.

En la siguiente imagen puedes ves los diferentes niveles de organización de la materia. Des de el nivel subatómico hasta la formación de un organismo. Con esto podemos ver que lo que sucede a nivel macroscópico viene determinado por el mundo microscópico.

imagenes jerarquia de la materia

Ejemplos de ramas de la biofísica

La biofísica se divide en distintas ramas dependiendo del campo de la biología y de la física en que se especializa.

A continuación, daremos algunos ejemplos y mencionaremos sus aplicaciones:

Dinámica de proteínas

La dinámica de proteínas es el campo de la biofísica que aplica leyes fundamentales de la física para el estudio del movimiento proteico. Esto nos permite estudiar las características de una proteína a través de simulaciones computacionales.

Para hacer este tipo de estudio se utiliza una técnica llamada dinámica molecular. Este campo de la física aplicado a la biología utiliza las leyes de Newton para calcular en que posición estará cada átomo de la proteína en un tiempo determinando.

Iterando este procedimiento podemos simular los movimientos de una proteína dentro de un organismo.

Esto nos permite, por ejemplo, estudiar la estabilidad de una proteína, entender como es la interacción entre dos proteínas o estudiar el plegamiento/desnaturalización proteica.

Para poder llevar acabo este procedimiento necesitamos aplicar otros campos de la biofísica, como es la cristalización proteica usando rayos X. De esta forma, podemos obtener una imagen de la proteína y modelarla en el ordenador. Una vez modelada, se pueden llevar a cabo las simulaciones mencionadas anteriormente.

En el siguiente esquema se muestra un ejemplo de este procedimiento.

modelizacion computacional de proteinas

El primer paso es cristalizar la proteína (obtener la estructura proteica experimentalmente y pasarla al ordenador). Una vez tenemos los datos experimentales de la estructura, modelamos dicha proteína en el ordenador, obteniendo un modelo bastante realista. Finalmente, llevamos a cabo simulaciones de dinámica molecular para entender características de dicha biomolécula.

Biología estructural

La biología estructural es una rama de la bioquímica y la biología molecular cuyo objetivo es el estudio de la estructura de biomoléculas.

Este estudio no se puede llevar a cabo utilizando microscopios convencionales ya que las proteínas o el ADN son demasiado pequeños para poder ser vistos con microscópicos ópticos.

Para poder obtener información de estas macromoléculas se utiliza radiación electromagnética.

Un ejemplo es el uso de la técnica de cristalografía de rayos X para el estudio de moléculas proteicas. Los rayos X al interaccionar con los electrones de la proteína crea un patrón de difracción a partir del cuál es puede inferir la estructura de dicha proteína.

Posteriormente se construye el modelo en el ordenador y...

¡Voilà, ya tenemos la estructura atómica de la proteína de nuestro interés!

Existen otras técnicas también empleadas para el estudio de la estructura molecular proteica, como la resonancia magnética nuclear, la cual permite obtener al detalle distancias y ángulos entre átomos y estudiar el comportamiento de las proteínas en condiciones fisiológicas.

Diseño de fármacos

Otra aplicación de la física biológica es el diseño de nuevos fármacos. Este proceso es muy costoso experimentalmente ya que se tienen que llevar a cabo miles de experimentos para poder encontrar el fármaco que realmente funciona.

Todo esto puede acelerarse a través de simulaciones computacionales. Gracias a los ordenadores potentes de hoy en día se puede utilizar la física y las matemáticas para poder filtrar y encontrar las moléculas con potencial para convertirse en un fármaco efectivo.

Existen muchas técnicas de simulación computacional para llevar a cabo este cribaje. Algunas de ellas hacen uso de la mecánica cuántica, la inteligencia artificial o de la topología (rama de las matemáticas que estudia las formas de los objetos).

En la siguiente imagen se muestra un esquema simplificado de este proceso.

Tenemos una gran variedad de fármacos y queremos encontrar aquellos que potencialmente pueden ser efectivos contra una enfermedad.

Los ponemos en este embudo que representa el proceso de cribaje virtual (virtual screening). Este proceso de cribaje, utilizando modelos físicos como los que hemos mencionado anteriormente (mecánica cuántica, inteligencia artificial o topología) hace una selección y nos devuelve los mejores candidatos.

Gracias a poder utilizar la física y las matemáticas en la biología, el desarrollo de fármacos cada vez es más barato y más efectivo.

Biomecánica

Esta disciplina estudia las partes mecánicas de los seres vivos comprendiendo su mecanismo y diseñando artificialmente estructuras que puedan remplazar partes mecánicas de nuestro cuerpo que no funcionen bien. Esta rama de la física aplicada a la biología mezcla la biología, la física, la ingeniería y la anatomía.

Por ejemplo, el marcapasos es un aparato que se pone al lado del corazón y su función es mantener el ritmo cardiaco constante. Este mecanismo sustituyo la función de las células marcapasos del corazón.

Otro ejemplo es la fabricación de prótesis para sustituir miembros del cuerpo no funcionales. Para poder diseñar mejores prótesis se estudio como funcionan las partes a sustituir del cuerpo intentando replicarlas de manera artificial para ayudar al paciente a tener el máxima de calidad de vida posible.

Bioenergética

La bioenergética es la parte de biofísica encargada de estudiar los mecanismos que generan energía en nuestro cuerpo. Los humanos obtenemos energía a través de la comida. Los alimentos tienen en sus enlaces químicos energía guardada.

La bioenergética utiliza un campo de la química-física llamado termodinámica para comprender la absorción, transformación y entrega energética en los organismos vivos.

Nuestro metabolismo se encarga de extraer dicha energía de los alimentos y almacenarla en forma de molécula orgánica llamada ATP. Cuando nuestro organismo necesita energía para moverse o para llevar a cabo las funciones vitales, rompe está molécula y se libera.

Generación de energía para nuestro organismo

Radiobiología

La radiobiología es la ciencia que estudia el efecto de radiación ionizante y no ionizante en un organismo vivo.

Existen diferentes fuentes de radiaciones ionizantes: los rayos X, los rayos gamma, los rayos alfa entre otros.

Entender la radiactividad y sus efectos en organismos vivos es esencial para poder protegernos y evitar las consecuencias fatales que puede tener sobre nosotros.

Resumen de relación de la física con la biología

✓ La biofísica es la ciencia que combina la física con la biología.

✓ Esta combinación permite simular procesos biológicos en un ordenador, crear protesis cada vez más efectivas o estudiar efectos de la radiación en los organismos

✓ Algunos ejemplos de ramas de la biofísica son la dinámica molecular, diseño de fármacos, biología estructural, bioenergética, bioacústica o radiobología