La biofísica molecular es un área de investigación interdisciplinaria en rápida evolución que combina conceptos de física , química , ingeniería , matemáticas y biología . [1] Busca comprender los sistemas biomoleculares y explicar la función biológica en términos de estructura molecular, organización estructural y comportamiento dinámico en varios niveles de complejidad (desde moléculas individuales hasta estructuras supramoleculares , virus y pequeños sistemas vivos). Esta disciplina cubre temas como la medición de fuerzas moleculares, asociaciones moleculares, interacciones alostéricas , movimiento browniano y teoría de cables . [2] Se pueden encontrar áreas de estudio adicionales en Outline of Biophysics . La disciplina ha requerido el desarrollo de equipos y procedimientos especializados capaces de obtener imágenes y manipular estructuras vivas diminutas, así como enfoques experimentales novedosos.
La biofísica molecular aborda normalmente cuestiones biológicas similares a las de la bioquímica y la biología molecular , buscando encontrar los fundamentos físicos de los fenómenos biomoleculares. Los científicos de 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 espectroscopia 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 utilizando pinzas ópticas o AFM también se puede utilizar para monitorear eventos biológicos donde las fuerzas y las distancias están en la nanoescala . Los biofísicos moleculares a menudo consideran los eventos biológicos complejos como sistemas de entidades interactuantes que se pueden entender, por ejemplo, a través de la mecánica estadística , la termodinámica y la cinética química . Al aprovechar 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.
La biología computacional implica el desarrollo y la aplicación de métodos teóricos y analíticos de datos, modelado matemático y técnicas de simulación computacional para el estudio de sistemas biológicos, ecológicos, conductuales y sociales. El campo está ampliamente definido e incluye fundamentos en biología, matemáticas aplicadas , estadística , bioquímica , química, biofísica , biología molecular , genética , genómica , informática y evolución . La biología computacional se ha convertido en una parte importante del desarrollo de tecnologías emergentes para el campo de la biología. [3] El modelado molecular abarca todos los métodos, teóricos y computacionales, utilizados para modelar o imitar el comportamiento de las moléculas . Los métodos se utilizan en los campos de la química computacional , el diseño de fármacos , la biología computacional y la ciencia de los materiales para estudiar sistemas moleculares que van desde pequeños sistemas químicos hasta grandes moléculas biológicas y conjuntos de materiales. [4] [5]
La biofísica de membranas es el estudio de la estructura y función de las membranas biológicas mediante métodos físicos, computacionales , matemáticos y biofísicos . Se puede utilizar una combinación de estos métodos para crear diagramas de fases de diferentes tipos de membranas, lo que proporciona información sobre el comportamiento termodinámico de una membrana y sus componentes. A diferencia de la biología de membranas, la biofísica de membranas se centra en la información cuantitativa y el modelado de varios fenómenos de membrana, como la formación de balsas lipídicas , las tasas de volatilidad de lípidos y colesterol, el acoplamiento proteína-lípido y el efecto de las funciones de flexión y elasticidad de las membranas en las conexiones intercelulares. [6]
Las proteínas motoras son una clase de motores moleculares que pueden moverse a lo largo del citoplasma de las células animales. Convierten la energía química en trabajo mecánico mediante la hidrólisis del ATP . Un buen ejemplo es la proteína muscular miosina , que "motoriza" la contracción de las fibras musculares en los animales. Las proteínas motoras son la fuerza impulsora detrás de la mayor parte del transporte activo de proteínas y vesículas en el citoplasma . Las kinesinas y las dineínas citoplasmáticas desempeñan papeles esenciales en el transporte intracelular, como el transporte axonal y en la formación del huso mitótico y la separación de los cromosomas durante la mitosis y la meiosis . La dineína axonemal, que se encuentra en los cilios y flagelos , es crucial para la motilidad celular , por ejemplo en los espermatozoides , y el transporte de fluidos, por ejemplo en la tráquea. Algunas máquinas biológicas son proteínas motoras, como la miosina, que es responsable de la contracción muscular , la kinesina , que mueve la carga dentro de las células lejos del núcleo a lo largo de los microtúbulos , y la dineína , que mueve la carga dentro de las células hacia el núcleo y produce el latido axonemal de los cilios y flagelos móviles . "[E]n efecto, el [cilio móvil] es una nanomáquina compuesta de quizás más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan independientemente como nanomáquinas... Los enlaces flexibles permiten que los dominios proteicos móviles conectados por ellos recluten a sus socios de unión e induzcan alosterio de largo alcance a través de la dinámica del dominio proteico . [7] Otras máquinas biológicas son responsables de la producción de energía, por ejemplo, la ATP sintasa que aprovecha la energía de los gradientes de protones a través de las membranas para impulsar un movimiento similar a una turbina que se utiliza para sintetizar ATP, la moneda energética de una célula. [8] Otras máquinas son responsables de la expresión genética , incluidas las ADN polimerasas para replicar el ADN, las ARN polimerasas para producir ARNm , el espliceosoma para eliminar intrones y el ribosoma para sintetizar proteínas.Estas máquinas y su dinámica a escala nanométrica son mucho más complejas que cualquier máquina molecular que se haya construido artificialmente hasta ahora. [9]
Estos motores moleculares son los agentes esenciales del movimiento en los organismos vivos. En términos generales, un motor es un dispositivo que consume energía en una forma y la convierte en movimiento o trabajo mecánico ; por ejemplo, muchos motores moleculares basados en proteínas aprovechan la energía química libre liberada por la hidrólisis del ATP para realizar trabajo mecánico. [10] En términos de eficiencia energética, este tipo de motor puede ser superior a los motores artificiales disponibles actualmente.
Richard Feynman teorizó sobre el futuro de la nanomedicina . Escribió sobre la idea de un uso médico para las máquinas biológicas . Feynman y Albert Hibbs sugirieron que algún día ciertas máquinas de reparación podrían reducirse en tamaño hasta el punto de que sería posible (como dijo Feynman) " tragarse al médico ". La idea fue discutida en el ensayo de Feynman de 1959 " Hay mucho espacio en el fondo ". [11]
Estas máquinas biológicas podrían tener aplicaciones en la nanomedicina . Por ejemplo, [12] podrían utilizarse para identificar y destruir células cancerosas. [13] [14] La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología que se refiere a la posibilidad de diseñar ensambladores moleculares , máquinas biológicas que podrían reordenar la materia a escala molecular o atómica. La nanomedicina haría uso de estos nanorobots , introducidos en el cuerpo, para reparar o detectar daños e infecciones. La nanotecnología molecular es altamente teórica, y busca anticipar qué inventos podría producir la nanotecnología y proponer una agenda para futuras investigaciones. Los elementos propuestos de la nanotecnología molecular, como los ensambladores moleculares y los nanorobots, están mucho más allá de las capacidades actuales. [15] [16]
El plegamiento de proteínas es el proceso físico por el cual una cadena de proteínas adquiere su estructura tridimensional nativa , una conformación que suele ser biológicamente funcional, de una manera expedita y reproducible. Es el proceso físico por el cual un polipéptido se pliega en su estructura tridimensional característica y funcional a partir de una bobina aleatoria . [17] Cada proteína existe como un polipéptido desplegado o una bobina aleatoria cuando se traduce de una secuencia de ARNm a una cadena lineal de aminoácidos . Este polipéptido carece de cualquier estructura tridimensional estable (de larga duración) (el lado izquierdo de la primera figura). A medida que la cadena polipeptídica está siendo sintetizada por un ribosoma , la cadena lineal comienza a plegarse en su estructura tridimensional. El plegamiento comienza a ocurrir incluso durante la traducción de la cadena polipeptídica. Los aminoácidos interactúan entre sí para producir una estructura tridimensional bien definida, la proteína plegada (el lado derecho de la figura), conocida como estado nativo . La estructura tridimensional resultante está determinada por la secuencia de aminoácidos o estructura primaria ( dogma de Anfinsen ). [18]
Como la estructura tridimensional de las proteínas conlleva una comprensión de su función y contexto biológico, se dedica un gran esfuerzo a la observación de las estructuras de las proteínas. La cristalografía de rayos X fue el método principal utilizado en el siglo XX para resolver las estructuras de las proteínas en su forma cristalina. Desde principios de la década de 2000, la microscopía electrónica criogénica se ha utilizado para resolver las estructuras de las proteínas más cercanas a su estado nativo, así como para observar las estructuras celulares. [19]
La predicción de la estructura de proteínas es la inferencia de la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos , es decir, la predicción de su plegamiento y su estructura secundaria y terciaria a partir de su estructura primaria . La predicción de la estructura es fundamentalmente diferente del problema inverso del diseño de proteínas . La predicción de la estructura de proteínas es uno de los objetivos más importantes que persiguen la bioinformática y la química teórica ; es muy importante en medicina , en el diseño de fármacos , en la biotecnología y en el diseño de nuevas enzimas . Cada dos años, se evalúa el rendimiento de los métodos actuales en el experimento CASP (Evaluación crítica de técnicas para la predicción de la estructura de proteínas). El proyecto comunitario CAMEO3D realiza una evaluación continua de los servidores web de predicción de la estructura de proteínas .
El desafío en la predicción de estructuras de proteínas es que no existe un modelo físico que pueda predecir completamente las estructuras terciarias de las proteínas a partir de su secuencia de aminoácidos. Este problema se conoce como el problema de predicción de la estructura de proteínas de novo y es uno de los grandes problemas de la ciencia moderna. [20] AlphaFold , un programa de inteligencia artificial , es capaz de predecir con precisión las estructuras de proteínas con homología genética con otras proteínas que se han resuelto previamente. [21] Sin embargo, esta no es una solución al problema de novo , ya que se basa en una base de datos de datos anteriores, lo que hace que siempre esté sesgada. [22] La solución al problema de predicción de la estructura de proteínas de novo debe ser un modelo puramente físico que simule el plegamiento de la proteína en su entorno nativo, lo que da como resultado la observación in silico de estructuras y dinámicas de proteínas que nunca se observaron anteriormente. [23]
Las técnicas espectroscópicas como RMN, resonancia de espín electrónico con etiqueta de espín , espectroscopia Raman , espectroscopia infrarroja , dicroísmo circular , etc., se han utilizado ampliamente para comprender la dinámica estructural de biomoléculas importantes y las interacciones intermoleculares .