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Biofísica

La kinesina utiliza la dinámica del dominio proteico a escala nanométrica para "caminar" a lo largo de un microtúbulo .

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 organicística y las poblaciones . 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. [4] [5] El término biofísica también se utiliza regularmente en el ámbito 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, incluidas la biología molecular , la biología celular , la biología química y la bioquímica .

Descripción general

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.

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de las proteínas.

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.

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 investigaciones, desde la bioelectrónica hasta la biología cuántica que involucra herramientas tanto experimentales como teóricas. Es cada vez más común que los biofísicos apliquen los modelos y las 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 la atención sanitaria , que va 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 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 There's Plenty of Room at the Bottom . [8]

Historia

Los estudios de Luigi Galvani (1737-1798) sentaron las bases para el campo posterior 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 FW Ludwig y Johannes Peter Müller . [9]

A William T. Bovie (1882-1958) se le atribuye el mérito de haber impulsado el desarrollo de este campo a mediados del siglo XX. Fue un pionero en el desarrollo de la electrocirugía .

La popularidad de este 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 hoy cuenta con unos 9.000 miembros en todo el mundo. [10]

Algunos autores como Robert Rosen critican la biofísica porque el método biofísico no tiene en cuenta la especificidad de los fenómenos biológicos. [11]

El enfoque como subcampo

Aunque algunas universidades y colegios 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 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 no es exhaustiva. Tampoco cada tema 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 ]

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

Véase también

Referencias

  1. ^ "Biofísica | ciencia". Enciclopedia Británica . Consultado el 26 de julio de 2018 .
  2. ^ Zhou HX (marzo de 2011). "Preguntas y respuestas: ¿Qué es la biofísica?". BMC Biology . 9 : 13. doi : 10.1186/1741-7007-9-13 . PMC 3055214 . PMID  21371342. 
  3. ^ "la definición de biofísica". www.dictionary.com . Consultado el 26 de julio de 2018 .
  4. ^ Pearson, Karl (1892). La gramática de la ciencia. pág. 470.
  5. ^ Roland Glaser . Biofísica: una introducción . Springer; 23 de abril de 2012. ISBN 978-3-642-25212-9
  6. ^ Sahai, Erik; Trepat, Xavier (julio de 2018). "Principios físicos de mesoescala de la organización celular colectiva". Nature Physics . 14 (7): 671–682. Bibcode :2018NatPh..14..671T. doi :10.1038/s41567-018-0194-9. hdl : 2445/180672 . ISSN  1745-2481. S2CID  125739111.
  7. ^ Popkin, Gabriel (7 de enero de 2016). «La física de la vida». Nature News . 529 (7584): 16–18. Bibcode :2016Natur.529...16P. doi : 10.1038/529016a . PMID  26738578.
  8. ^ Feynman RP (diciembre de 1959). "Hay mucho espacio en el fondo". Archivado desde el original el 11 de febrero de 2010. Consultado el 1 de enero de 2017 .
  9. ^ Franceschetti DR (15 de mayo de 2012). Applied Science. Salem Press Inc. pág. 234. ISBN 978-1-58765-781-8.
  10. ^ Rosen J, Gothard LQ (2009). Enciclopedia de ciencias físicas. Infobase Publishing. pág. 4 9. ISBN 978-0-8160-7011-4.
  11. ^ Longo G, Montévil M (1 de enero de 2012). "El estado inerte frente al estado vivo de la materia: criticidad extendida, geometría del tiempo, antientropía: una descripción general". Frontiers in Physiology . 3 : 39. doi : 10.3389/fphys.2012.00039 . PMC 3286818 . PMID  22375127. 

Fuentes

Enlaces externos