LA BIOFÍSICA COMO BASE INNOVADORA DE LA NANOBIOTECNOLOGIA

LA BIOFÍSICA COMO BASE INNOVADORA DE LA NANOBIOTECNOLOGIA

La biofísica puede definirse como un puente entre dos disciplinas clásicas: la Biología y la Física. La Biología estudia las diferentes variedades de vida y su complejidad, describiendo sus hábitos de alimentación, comunicación, relación con el medio y reproducción. Por su parte, la Física se concentra en las leyes matemáticas de la naturaleza y realiza predicciones precisas de las fuerzas que conducen los procesos en sistemas ideales. Esta acepción implica entonces enriquecer la Biología descriptiva, macroscópica y morfológica, con un aporte cuantitativo, predictivo y generalizador que acorta, en principio, la distancia entre la simplicidad de los sistemas ideales de la Física y la complejidad de los sistemas vivos. Sin embargo, la Biofísica es más que una vía de conexión en la frontera entre esas dos disciplinas liminares, sino que es más bien una amalgama de la Física, la Química y la Biología. Esto quiere decir que trasciende y supera las formulaciones y modelos para sistemas simples describiendo molecularmente procesos de transformación complejos en sistemas multicomponentes y autoorganizados.

Los hitos en la historia de la ciencia por los que se superaron paradigmas clásicos de la Física fueron, por un lado, el intento de resolver el problema de la vida a nivel molecular a través de criterios químicos y por otro, relacionado con 2 el primero, la extensión de la termodinámica a los sistemas abiertos, es decir, aquellos que contemplan las reacciones químicas con intercambio de energía y materia con su entorno.

La visión microscópica molecular fue anticipada cuando, en su conferencia de Dublín en 1943, Schrödinger vincula la química molecular con la biología, proponiendo, mucho antes de la determinación de la estructura del ADN, “la existencia de alguna clase de molécula-plantilla que genera un cambio de sustancia hereditaria”. La predicción de la información química impresa en el ADN dio un impulso definitivo hacia la biofísica que hoy conocemos y son las bases de la Biología Molecular. Como consecuencia, el paradigma para entender a la materia de la vida es entender como átomos de oxígeno, carbono e hidrógeno, se transforman y organizan, desde moléculas hasta estructuras supramoleculares, reconciliando las reacciones químicas de combustión del metabolismo con la síntesis. El planteo reduccionista de la Biología Molecular se expande con el enfoque integrador de la incorporación de los procesos químicos en la comprensión de los fenómenos biológicos al introducir la determinación de flujos de energía entre sistema y entorno, a través de la termodinámica de sistemas fuera del equilibrio. En esta dirección, Schrödinger introdujo el término de entropía negativa para conciliar la termodinámica con la biología con el cual pretendió explicar la organización de los sistemas vivos en un universo que tiende inexorablemente al desorden. Esta entropía negativa fue rigurosamente definida y descripta por el concepto de la energía disponible para realizar trabajo, la energía libre, magistralmente introducida por Gibbs.

la biofísica es hoy una disciplina autónoma que, rigurosamente definida se identifica como la biofisicoquímica, ciencia multidisciplinaria por excelencia que trata del funcionamiento de los sistemas vivos como sistemas químicos abiertos, complejos, auto ensamblables, autoorganizados y autorreproducibles a nivel molecular y supramolecular que operan con el principio de mínima energía.

El estudio de los sistemas biológicos a través de la Biofísica ha desembocado en lo que hoy se conoce como ciencia de la complejidad. Complejización significa que el sistema es capaz de construirse y reconstruirse de muchas maneras. Así, la Biofísica tiene capacidad de hacerlo a sí misma en respuesta a problemas que la desafían, y al dar respuesta a ellos, se convierte en una ciencia que construye información nueva o sea conduce a la innovación.

Con estos aportes, en la Biofísica convergen, se complementan y auto alimentan los estudios de los fenómenos macroscópicos a través de la termodinámica, la cinética, la fotoquímica y la electroquímica y los enfoques mesoscópicos y microscópicos (estructura molecular, de micro y nano ensambles, y mecanismos de reacciones químicas y de transporte de materia, carga y energía).

Por esta razón, la rama de las ciencias que más se adecúa a resolver problemas en donde están involucrados multitud de variables, estructuras y condiciones.

En su proyección desde la fisiología, la biofísica aporta una visión integrada de la célula y sus procesos incorporando los hallazgos de la bioquímica en cuanto a tipo y estructura de componentes aislados de la célula. El aislamiento de los componentes de las membranas (proteínas y lípidos) dio lugar en primer lugar a la implementación (por una observación casual por parte de Bangham, 1974) de los hoy utilizados rutinariamente liposomas o vesículas lipídicas en todas sus formas y composiciones. La Biofísica ha progresado enormemente gracias al uso de estos sistemas experimentales modelo derivados de la posibilidad de formar partículas semejantes a las células con moléculas aisladas como lípidos, 5 proteínas y ácidos nucleicos (liposomas, vesículas, micelas, proteoliposomas, células artificiales).

Un ejemplo es el glóbulo rojo. Desde su descubrimiento como unidad funcional, los estudios abarcaron la resolución de la estructura de la hemoglobina y la explicación a través de ella de su capacidad de captar oxígeno en forma útil a seres vivos.

El aislamiento de los lípidos de las membranas de glóbulos rojos y su posterior reconstrucción mediante el autoensamblado en vesículas fue el primer intento de biomimetización. Es precisamente este ejercicio de análisis y síntesis a través de los componentes de membranas y de células lo que dio origen a los hoy paradigmáticos modelos de membranas biológicas, que tratan de reducir en una estructura simple los complejos fenómenos que se dan a través de una membrana celular.

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