¿La biología celular necesita físicos?

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¿La biología celular necesita físicos?

Charles W. Wolgemuth

Centro de Salud de la Universidad de Connecticut, Departamento de Biología Celular y Centro de Análisis y Modelado Celular, Farmington, CT 06030-3505, USA

Publicado el 10 de enero de 2011

Atraídos por la percepción elegante y los mayores niveles de financiación de la investigación orientada a las enfermedades, muchos físicos han emigrado a la biología celular. ¿Realmente la física juega un papel dominante, o la fisiología celular es esclava de la genética y la química?

Áreas temáticas: Física Biológica, Física Interdisciplinaria

Introducción

Las células son las unidades fundamentales de la vida. A nivel básico, las funciones primarias de una célula son crecer, replicarse y dividirse. La supervivencia, al menos durante un período de tiempo suficiente, también es extremadamente importante para lograr estas otras funciones. Sin embargo, como humanos, queremos más. No sólo queremos que nuestras células nos proporcionen una duración de vida suficiente para poder reproducirnos, sino que también queremos garantizarnos una existencia larga y saludable. Estos deseos, sin embargo, se ven frustrados con demasiada frecuencia por la falta de comodidad. Aunque las enfermedades pueden ser causadas por una serie de factores diferentes, como las toxinas moleculares, los defectos genéticos adquiridos o heredados, los virus y las bacterias, que actúan a diferentes escalas (molecular, celular e incluso multicelular), en la mayoría de los casos, la enfermedad representa un proceso a nivel celular; es decir, la mayoría de las enfermedades son, en el fondo, una alteración de la función celular, que en última instancia produce una incapacidad o fallo de un órgano u organismo.

Dado que los seres humanos preferirían vivir sin enfermedades, no es sorprendente que la investigación biológica y relacionada con la salud sea muy respetada o que los Institutos Nacionales de Salud tengan bolsillos más profundos que la Fundación Nacional de Ciencia. Además, los recientes avances tecnológicos nos han permitido ver las moléculas y las células con mucho más detalle. Ahora somos capaces de resolver y cuantificar, a niveles subcelulares e incluso moleculares, la dinámica espacio-temporal de las moléculas y los procesos dentro de las células. Por lo tanto, la biología molecular y celular se ha vuelto más susceptible a un paradigma de re-búsqueda que fusiona las investigaciones experimentales y teóricas, y, más específicamente, la investigación que se orienta hacia una descripción precisa de cómo se mueven las cosas en el espacio y el tiempo. Por lo tanto, no es sorprendente que los físicos se sientan atraídos por la búsqueda de la biología celular.

Pero el pasado ha demostrado que los biólogos celulares son ex-temiblemente capaces de hacer grandes progresos sin necesidad de físicos (aparte de necesitar físicos e ingenieros para desarrollar muchas de las tecnologías que utilizan). ¿Los nuevos datos y las nuevas capacidades tecnológicas requieren el punto de vista de un físico para analizar los mecanismos de la célula? ¿La física es de utilidad para la biología celular?

Los elefantes en la sala: la genética, la proteómica y la biología de sistemas

Es difícil sobreestimar el papel que la genética ha jugado en la biología en los últimos 30 años. La biología molecular y celular, en gran medida, trata de las proteínas y sus interacciones. La capacidad de perturbar una proteína específica dentro de una célula y luego observar las consecuencias ha llevado a un sorprendente número de avances en nuestra subestimación de los papeles de ciertas proteínas en la función celular. Casi parecería que si pudiéramos reunir una lista de todas las proteínas dentro de la célula (un campo llamado proteómica) y determinar sus reacciones y tasas de reacción, entenderíamos cómo funciona una célula. Con métodos de alto rendimiento, ahora somos capaces de medir rápidamente las transcripciones de ADN y los niveles de proteínas y relacionarlos con las características observadas en la célula ("tipos de feno") [1]. Hemos acumulado una gran cantidad de datos, y cuanto más los juntamos, más complejos y difíciles de interpretar se vuelven.

Para una célula con un genoma bastante pequeño, como la levadura

Saccharomyces cerevisiae, que puede producir entre 104 y 105 proteínas, el número de posibles interacciones entre las proteínas es de 105-107[1]. Incluso si consideramos una sola función celular-lular (por ejemplo, la capacidad de una célula eucariota para moverse a lo largo de un sustrato) la red de reacción química que describe este comportamiento parece incomprensible (Fig. 1).   La esperanza de la biología de sistemas es utilizar un enfoque de nivel superior para entender estos sistemas, para analizar las redes de reacción a un nivel más funcional y proporcionar un marco para el montaje de modelos de vías biológicas a partir de mediciones sistemáticas [2]. En esta discusión no se menciona la física de los procesos celulares. Es posible que la física con la que las células deben tratar sea esclava de las reacciones; es decir, los niveles de proteína y la cinética de las reacciones bioquímicas determinan el comportamiento del sistema, y cualquier proceso físico que una célula deba llevar a cabo es

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FIG. 1:  La complejidad de la biología celular.  a) Un subconjunto de las reacciones químicas que impulsan el rastreo de las células eucariotas. En resumen, las células perciben el entorno a través de las proteínas unidas a la membrana.  La activación de estos receptores conduce a la activación de otras proteínas que promueven la polimerización de la actina. Se incluyen las reacciones bioquímicas que gobiernan la dinámica de la actina. Estas reacciones químicas producen la motilidad celular. (b)-(d) Serie temporal de una célula cancerosa (HT1080 fi- brosarcoma) moviéndose a través de una matriz de colágeno I. Hay dos intervalos de horas entre cada matriz. (Imágenes cortesía de D. Wirtz, Universidad Johns Hopkins.) (Crédito: Carin Cain)

puras consecuencias de la bioquímica. O, ¿podría ser que la biología celular no pueda ser completamente entendida sin la física?

Algunos ejemplos de biología física exitosa

Los éxitos de la genética y la bioquímica en la descripción de la función celular han eclipsado un punto importante: Las células no son bolsas aisladas de proteínas. El interior de una célula tiene una estructura, y esta estructura no es estática. Además, las células deben vivir e interactuar con el entorno, lo cual es a menudo impredecible y no siempre favorable. Para crecer, moverse y sobrevivir, las células deben ser capaces de producir fuerza. Es decir, la física importa, al menos en algún nivel.

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