Ciencia y Tecnología
22 de abril de 2013

Física y Biología: Una sociedad virtuosa

Dr. Héctor O. DI ROCCO

A primera vista, y muy posiblemente para la mayoría de las personas, aun aquellos que siguen carreras universitarias, la Física y la Biología son dos disciplinas inconexas de las Ciencias Naturales. Es cierto que en algunas especialidades de las Ciencias Biológicas la Física tiene poco que decir; sin embargo, un examen atento sobre otras ramas de la Biología, como la Biología Molecular, el estudio de las membranas, la Fisiología, etc., muestra que es muy difícil pensar en avances genuinos sin un claro conocimiento de los fenómenos físicos involucrados.

Para el gran público, se consideran entre  los hechos más importantes por sus implicancias prácticas sobre el sistema de salud el descubrimiento de los rayos X, por Roentgen a fines del siglo XIX y el de la Tomografía Computada, debida a Allan Cormack y Godfrey Hounsfield; los tres mencionados tenían formación profesional en Física e Ingeniería.

Si hacemos un poco de historia, y nos remontamos al siglo XVIII, podemos mencionar los trabajos del italiano Galvani sobre lo que hoy día llamaríamos bioelectricidad, y que fueron disputados por su coterráneo Volta, inventor de la pila eléctrica. Más cerca en el tiempo, una breve mención de la relación entre estas dos ciencias comprende, en el siglo XIX, el trabajo del médico alemán Julius Robert von Mayer quien, al analizar los procesos fisiológicos postuló una de las leyes fundamentales de la Física: la ley de conservación de la energía. Poco después, su coterráneo Helmholtz, un científico universal, médico, fisiólogo, físico y matemático aclaró en forma rigurosa lo que Mayer había postulado.

En el siglo XX, podemos mencionar los trabajos de von Bekesy, por sus trabajos sobre la fisiología de la audición, los de Delbruck por sus descubrimientos  concernientes a los mecanismos de replicación de los virus. Hay que destacar que uno de los descubrimientos más fundamentales de la ciencia, el del descubrimiento de la estructura de la molécula ADN, fue realizado, fundamentalmente, por los físicos Rosalind Franklin, Maurice Wilkins y Francis Crick. James Watson, otro de los co-descubridores, era zoólogo de formación. Linus Pauling, tal vez el último científico universal (como Helmholtz), el primer norteamericano en escribir libros sobre la nueva Mecánica Cuántica, descubrió por primera vez el origen molecular de una enfermedad, la anemia falciforme.

Luego de esta somera introducción histórica, vayamos a lo que se da en llamar Biofísica o, también, Física Biológica. Esta rama interdisciplinaria usa los métodos de la Física, la Química, la Matemática y la Biología para estudiar cómo trabajan los organismos vivientes. Se investiga cómo el cerebro procesa y almacena la información, el corazón bombea la sangre, los músculos se contraen, las plantas usan la luz para realizar la fotosíntesis, cómo trabajan los genes, etc. Otros científicos, que trabajan en temas del todo relacionados, pueden catalogarse como fisiólogos, biólogos moleculares, genetistas o bioquímicos. La diferencia estriba en que los biofísicos están especialmente interesados en la físico-química de los procesos biológicos y en el uso intensivo de los métodos cuantitativos mediante el modelado matemático y cálculos numéricos.

La biofísica se hace preguntas acordes a los diferentes niveles de organización biológica; así puede ir desde las moléculas a los órganos y a los sistemas ecológicos. En el más alto nivel de organización, se estudia cómo los organismos se desarrollan, ven, oyen... y piensan. Asimismo, cómo nosotros respiramos, cómo los nutrientes viajan a través de nuestros cuerpos, cómo nos soporta la estructura ósea. A escala de una única célula, interesa saber cómo se mueven, se dividen, detectan señales desde el medio ambiente, etc.

Un tema de formidable importancia en lo que concierne a las grandes biomoléculas, como el ADN y las proteínas, es la relación entre la forma espacial (en 3D) y las funciones biológicas que cumplen. El cálculo detallado de la forma que tomará una dada proteína (por ejemplo) parece estar lejos de las posibilidades de cálculo de las actuales computadoras, aunque se han hecho prodigiosos avances en los últimos años. Estos avances no se refieren solamente a la existencia de máquinas cada vez más veloces sino también a nuevos puntos de vista acerca de cómo realizar cálculos en esas grandes moléculas.

Estos descubrimientos tendrán seguramente un amplio impacto en Biotecnología y en Medicina. La Biofísica nos ha permitido entender las bases moleculares de las enfermedades, como hemos mencionado. El conocimiento de cómo trabajan las proteínas y las membranas proveerá una base para el diseño racional de drogas. Entender cómo las proteínas se pliegan y aceleran las reacciones químicas, permitirá diseñar proteínas capaces de realizar tareas específicas, tales como digerir petróleo crudo y basuras tóxicas.

Las preguntas que los biofísicos se hacen son innumerables, por lo que daremos un breve resumen sobre una o dos de ellas.

i) ¿cómo se pliegan las proteínas? Esto tiene que ver con el hecho que la forma en 3D determina la función biológica. Si bien, en los primeros instantes, una proteína se forma "linealmente" como "cuentas de un collar", evoluciona en un tiempo corto hasta formar una estructura en 3D, y esto depende de las fuerzas físicas y químicas actuando entre las moléculas constituyentes. El uso de la cristalografía de rayos-X ha sido fundamental para entender este proceso. Idealmente, una comprensión de estas reglas permitiría, por ejemplo, diseñar una proteína que reconozca una anormalidades sobre la superficie de una célula cancerosa, atacarla y destruirla.

ii) ¿cómo las proteínas de membrana inter-convierten la energía? Este hecho, esencial para la vida, involucra membranas. Por ejemplo, la energía del sol es transformada por las plantas en energía química, almacenada como carbohidratos. Éstos son consumidos por los animales y transformados en la energía necesaria para desarrollarse, moverse, pensar. La investigación acerca de dicha transformación de la energía tiene aplicaciones que van desde la comprensión de ciertas enfermedades a incrementar la productividad fotosintética.

Otros temas de interés son cómo los animales y las plantas responden a los estímulos: luz, sonido y el olor, cómo se mueven las células, cómo trabaja el sistema nervioso y un largo etcétera.

Si bien existen en el mundo pocas universidades que den títulos específicos en Biofísica, esta ciencia interdisciplinaria, tiene un número muy importante de practicantes. En muchos casos, son físicos o químicos que han complementado una formación en Biología (biología molecular y celular, genética), aunque hay casos recíprocos de biólogos o médicos que complementan su formación con los conceptos físicos necesarios.

Últimamente, se está intentando diseñar micro-circuitos electrónicos usando moléculas de ADN; esto significa que también ingenieros electrónicos y de sistemas colaboran juntos en nuevos emprendimientos tecnológicos.

Dr. Héctor O. DI ROCCO:
Profesor Titular, Fac. Cs. Exactas (UNICEN), Investigador Principal CONICET, Miembro del IFAS.
Contacto: hdirocco [at] exa [dot] unicen [dot] edu [dot] ar