1 LA BIOFSICA COMO BASE INNOVADORA DE LA NANOBIOTECNOLOGIA

Dr. E. Anbal Disalvo

Profesor Titular UNSE

Investigador Superior del CONICET

Qu es Biofsica? La biofsica puede definirse como un puente entre dos disciplinas clsicas: la Biologa y la Fsica. La Biologa estudia las diferentes variedades de vida y su complejidad, describiendo sus hbitos de alimentacin, comunicacin, relacin con el medio y reproduccin. Por su parte, la Fsica se concentra en las leyes matemticas de la naturaleza y realiza predicciones precisas de las fuerzas que conducen los procesos en sistemas ideales. Esta acepcin implica entonces enriquecer la Biologa descriptiva, macroscpica y morfolgica, con un aporte cuantitativo, predictivo y generalizador que acorta, en principio, la distancia entre la simplicidad de los sistemas ideales de la Fsica y la complejidad de los sistemas vivos. Sin embargo, la Biofsica es ms que una va de conexin en la frontera entre esas dos disciplinas liminares, sino que es ms bien una amalgama de la Fsica, la Qumica y la Biologa. Esto quiere decir que trasciende y supera las formulaciones y modelos para sistemas simples describiendo molecularmente procesos de transformacin complejos en sistemas multicomponentes y autoorganizados (Misteli 2001). De esta manera, la Biofsica no es una rama de la Fsica ni de la Biologa, como subaplicacin de ellas, sino que es una disciplina autnoma, superadora, abarcativa y contenedora de los fenmenos qumicos en sistemas biolgicos. Al introducir a los procesos qumicos para comprender integralmente los sistemas biolgicos, esta disciplina debera ser ms adecuadamente descripta como Biofisicoqumica, aunque por simplicidad seguiremos llamndola Biofsica con esta salvedad (Disalvo 1987). Los hitos en la historia de la ciencia por los que se superaron paradigmas clsicos de la Fsica fueron, por un lado, el intento de resolver el problema de la vida a nivel molecular a travs de criterios qumicos y por otro, relacionado con

2 el primero, la extensin de la termodinmica a los sistemas abiertos, es decir, aquellos que contemplan las reacciones qumicas con intercambio de energa y materia con su entorno. Esto trajo, como consecuencia, focalizar los estados apartados del equilibrio, es decir, la aparicin de gradientes, eventualmente en estado estacionario (Nicolis & Prigogine, 1977). La visin microscpica molecular fue anticipada cuando, en su conferencia de Dublin en 1943, Schrdinger vincula la qumica molecular con la biologa, proponiendo, mucho antes de la determinacin de la estructura del ADN, la existencia de alguna clase de molcula-plantilla que genera un cambio de

sustancia hereditaria. La prediccin de la informacin qumica impresa en el ADN, dio un impulso definitivo hacia la biofsica que hoy conocemos y son las bases de la Biologa Molecular. Sin embargo, sin protenas ni redes metablicas de aminocidos o de intermediarios recursivos energticamente impulsados, los genes son impotentes. Ms an, estos procesos tampoco prosperaran si no se llevaran a cabo en entornos restringidos encerrados por las membranas celulares constituidas por lpidos. Por ltimo, nada de esto ocurrira si el solvente fuera otro disitinto al agua, componente largamente ignorado hasta estos ltimos aos y primordial agente estabilizador y funcional (Disalvo et al ,2004). Como consecuencia, el paradigma para entender a la materia de la vida, es entender como tomos de oxgeno, carbono e hidrgeno, se transforman y organizan, desde molculas hasta estructuras supramoleculares, reconciliando las reacciones qumicas de combustin del metabolismo con la sntesis. El planteo reduccionista de la Biologa Molecular se expande con el enfoque integrador de la incorporacin de los procesos qumicos en la comprensin de los fenmenos biolgicos al introducir la determinacin de flujos de energa entre sistema y entorno, a travs de la termodinmica de sistemas fuera del equilibrio. En esta direccin, Schrdinger (1947) introdujo el trmino de entropa negativa para conciliar la termodinmica con la biologa con el cual pretendi explicar la organizacin de los sistemas vivos en un universo que tiende inexorablemente al desorden. Esta entropa negativa fue rigurosamente definida y descripta por el concepto de la energa disponible para realizar trabajo, la energa libre, magistralmemte introducida por Gibbs

3 -T Su = G donde Su es la entropa del universo y G la energa libre en el sistema. (Disalvo 2007). Siendo la Termodinmica la ciencia de los procesos espontneos, el impetu de las cosas, el enfoque termodinmico de la evolucin nos permite compatibilizar la vitalidad de la vida con el desarrollo de los procesos fsicoqumicos. Con la introduccin de los mecanismos moleculares de reacciones qumicas en sistemas abiertos, la Biofsica es hoy una disciplina autnoma que, rigurosamente definida se identifica como la biofisicoqumica, ciencia multidisciplinaria por excelencia que trata del funcionamiento de los sistemas vivos como sistemas qumicos abiertos, complejos, autoensamblables, autoorganizados y autoreproducibles a nivel molecular y supramolecular que operan con el principio de minima energa (Lehninger 1975). El estudio de los sistemas biolgicos a travs de la Biofsica ha desembocado en lo que hoy se conoce como ciencia de la complejidad. Esta nueva visin contempla las propiedades emergentes e intenta integrar los enfoques reduccionistas (Biologa Molecular) y holsticos (Termodinmica) en el marco de los denominados sistemas complejos (Bertalanffy, 1968). Complejizacin significa que el sistema es capaz de construirse y reconstruirse de muchas maneras. As, la Biofisicoqumica o simplemente Biofisca tiene capacidad de hacerlo a s misma en respuesta a problemas que la desafan, y al dar respuesta a ellos, se convierte en una ciencia que construye informacin nueva o sea conduce a la innovacin. Con estos aportes, en la Biofsica convergen, se complementan y auto alimentan los estudios de los fenmenos macroscpicos a travs de la termodinmica, la cintica, la fotoqumica y la electroqumica y los enfoques mesoscpicos y microscpicos (estructura molecular, de micro y nano ensambles, y mecanismos de reacciones qumicas y de transporte de materia, carga y energa).

4 Por esta razn, hoy es la rama de las ciencias que ms se adeca a resolver problemas en donde estn involucrados multitud de variables, estructuras y condiciones.

La clula como unidad Biofsica. El nacimiento de la Biofsica se potencia cuando el conocimiento de los procesos metablicos y fisiolgicos, mayormente en humanos, busca respuestas a nivel molecular y celular, tomando a la clula como la unidad biofsica por excelencia. La clula es la individualidad biolgica y termodinmica que depende de una membrana semipermeable como transductor de energa y de materia que proporciona una sede microscpica para mantener los procesos fuera del equilibrio. Con el avance impresionante de mtodos fsicos aplicados a materiales biolgicos como la difraccin de rayos x y de neutrones, la resonancia nuclear magntica, la espectroscopa Raman e Infrarroja en todas sus variables se ha podido obtener informacin sobre tamao de clulas, espesores de membranas, estructura de protenas y cidos nucleicos en soluciones acuosas y en membranas, dando detalles moleculares de orientacin y dinmica de grupos qumicos de los componentes celulares y estado del agua, entre otros. Ms recientemente, con las facilidades computacionales, se han podido desarrollar mtodos de clculo por dinmica molecular y simulacin que, nutrindose de los datos aportados por las vertientes molecular y termodinmica anteriores, ha inaugurado una nueva avenida interconectadas con ellas. En su proyeccin desde la fisiologa, la biofsica aporta una visin integrada de la clula y sus procesos incorporando los hallazgos de la bioqumica en cuanto a tipo y estructura de componentes aislados de la clula. El aislamiento de los componentes de las membranas (protenas y lpidos) dio lugar en primer lugar a la implementacin (por una observacin casual por parte de Bangham, 1974) de los hoy utilizados rutinariamente liposomas o vesculas lipdicas en todas sus formas y composiciones. La Biofsica ha progresado enormente gracias al uso de estos sistemas experimentales modelo derivados de la posibilidad de formar partculas semejantes a las clulas con molculas aisladas como lpidos,

5 protenas y cidos nuclicos (liposomas, vesculas, micelas, proteoliposomas, clulas artificiales) En una breve sntesis, se puede decir que con ellos se pueden encapsular protenas en un medio semejante al celular, estudiar en detalle los fenmenos superficiales de insercin de macromolculas a membranas, los fenmenos de transporte de sustancias a travs de las membranas, entre los ms importantes. Un ejemplo paradigmtico es el glbulo rojo. Desde su descubrimiento como unidad funcional, los estudios abarcaron la resolucin de la estructura de la hemoglobina y la explicacin a travs de ella de su capacidad de captar oxgeno en forma til a seres vivos (Fernndez Monroy, 2013). Por otro lado, el mismo sistema se utiliza como clula modelo para medir los fenmenos de transporte de agua (swelling smosis) a travs de la membrana lipdica o de protenas especficas (acuoporinas). El aislamiento de los lpidos de las membranas de glbulos rojos y su posterior reconstruccin mediante el autoensamblado en vesculas fue el primer intento de biomimetizacin. Es precisamente este ejercicio de anlisis y sntesis a travs de los componentes de membranas y de clulas lo que di origen a los hoy paradigmticos modelos de membranas biolgicas, que tratan de reducir en una estructura simple los complejos fenmenos que se dan a travs de una membrana celular. En resumen, los organismos no son solo mquinas genticas sino tambien sistemas abiertos. Su frontera crucial es una membrana que encierra secretos que la convierten en un sistema material nico frente a todos los conocidos, ya sean sintticos o naturales. Es permeable solo a ciertas sustancias, mantiene la complejidad interna, mantiene el medio especfico para reacciones especficas. Muy probablemente, el ADN no evolucion antes de que existieran microentornos formados por molculas anfiflicas, es decir hasta que la qumica no tuviera un medio regulado de material y energa, producto del gradiente electromagntico solar o del gradiente qumico del potencial redox. Una breve lista de los sistemas biofsicos ms estudiados en la actualidad se presenta en la Tabla I.

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TABLA I

TEMAS DESTACADOS DE BIOFSICA Estructura de

protenas y

cidos nucleicos

Cristalografia Plegamiento y procesos de denaturalizacin Organizacin espacial y autoensamble.

Seales ultrasensibles en clulas. Estructura de

membranas

Rayos x y neutrones, Infrarrojo y NMR Espesor, polimorfismo, cambios conformacionales, transiciones de fase.

Potenciales de membrana. Fusin de membranas

Fisicoqumica de

membranas

lipidicas

Bicapas y Monocapas. Potenciales superficiales. Transiciones termotrpicas y liotrpicas

Estabilidad. Permeabilidad al agua y no electolitos Efectos de colesterol y cidos grasos. Miscibilidad y diagramas de fase

Interaccin

lpido-protena

Fenmenos de superficie Insercin de pptidos. Pptidos antimicrobianos. Lisis celular. Enzimologa. Enzimas hidrolticas y antioxidantes (lipasas y peroxidasas)

Transportadores,

receptores y

canales.

Poros, canales inicos. Estructura y funcin de protenas en membranas

Mecanismos de regulacin. ATPasas. Receptores, acetilcolina, acuoporinas, Canales de Na/K, Ca

Clulas animales

y vegetales

Fotosntesis y bioenergtica. Estrs hdrico y oxidativo Divisin celular y relaciones espaciales Redes de clulas y tejidos. Mquinas moleculares

Modelizacin y

calculo

Dinmica molecular Modelos de membrana lipidicas Estados y distribucin de agua

Estabilizacin de proteinas trasmembranas

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Porque la Biofsca es esencial para la Biotecnologa? Los mayores esfuerzos en Biofsica, en particular en nuestro pas, se han orientado a entender procesos biolgicos conectados con la salud humana y sus patologas, dada la tradicin en Fisiologa inaugurada por Houssay y luego continuada desde el punto de vista qumico por Leloir. Desde mecanismos de receptores neurolgicos, accin de toxinas, hormonas, efecto de frmacos, envejecimiento, etc., la Biofsica combina todos los recursos de la fsica, la qumica y las matemticas concentrndose mayormente en la salud humana, previniendo enfermedades y desarrollando mtodos de cura y farmacoterapia. La Biofsica ha ayudado a crear vacunas poderosas contra enfermedades infecciosas, ha descripto y controlado enfermedades del metabolismo, como la diabetes y ha provisto de las herramientas y la base conceptual para el tratamiento de enfermedades como el cancer. La Biofsica aporta tecnologas de imgenes y sonogramas para el diagnstico. De ste modo, la Biofsica se ha convertido en una herramienta nica para aprender sobre la biologa de la salud: dilisis renal, radioterapia, desfibriladores, marcapasos, bioremediacin y ciencia forense. Se ha avanzado mucho en la comprensin de la transcripcin del ADN en ARN, aislar y manejar secuencias de protenas codificadas, clonado de ovejas, etc., inaugurando lo que hoy conocemos como biotecnologa. Instrumentos de avanzada en la investigacin Biofsica se han convertido en los caballos de batalla en la industria farmacutica y de biotecnologa. Una clara indicacin de su expansin es el dato que desde 1970, ms de 1500 compaas en el mundo han generado empleos a casi 200000 personas y ganado no menos de $60 billones por ao. Sin embargo, en comparacin, pocos han sido los estudios enfocados utilizando otros sistemas vivos (clulas vegetales y bacterias) que con el mismo criterio permitan esclarecer incgnitas de la relacin estructura - funcin como su biomimetizacin o simulacin para fines prcticos. Es en este punto que deseamos discutir un aspecto de la Biofsica poco explorado y explotado que apunte a la implementacin de sistemas de inters prctico en la

8 biotecnologa actual, sobre todo en la zona de influencia de la Universidad Nacional de Santiago del Estero. La biofsica proyectada a la Biotecnologa. Tanto las metodologas para observar y manipular las estructuras de materiales biolgicos como los conceptos tericos formulados por los biofsicos no pueden limitarse a la salud humana como nico beneficiario. Por el contrario, la preservacin de alimentos, el estrs hdrico en plantas, la farmacologa a nivel veterinario, los mecanimos de accin de pesticidas y fertilizantes, entre otros, son temas que requieren la atencin de un abordaje biofsico slido y profundo. La microbiologa es una herramienta imprescindible para hacer biotecnologa en todas sus formas. Sin embargo, adems de la necesaria caracterizacin de especies bacterianas y de los recursos de la Biologa Molecular, para alcanzar un enfoque integral de la respuesta estructura y funcin de clulas aisladas no se puede prescindir de una biofisica de bacterias. Algunos aspectos de la biofsica de bacterias ligados a procesos biotecnolgicos son: -Modificacin de microorganismos para la obtencin de biocombustibles reemplazando los productos de petrleo y carbn para producir electricidad (bioelectricidad) . -Entender los ciclos de calor, luz y elementos qumicos como oxgeno, carbono, nitrgeno en organismos vivos del planeta -Modificar microorganismos para limpiar el agua y producir drogas de uso humano y animal. Por ello, la utilizacin de microrganismos como reactores moleculares requieren las bases tericas y aplicadas de la biofisicoqumica nombrados en la sesin anterior. En la denominada Biofsica de bacterias, se incluiran estudios de metabolismo, transporte en membranas, permeabilidad de iones y agua, adhesividad a superficies, entre otros

9 Otro de los aspectos de la Biotecnologa en que se acenta la presencia de la Biofsica es el estudio de la formacin de partculas lipdicas (liposomas y vesiculas, films y monocapas autoensambladas) como contenedor y soporte de principios activos farmacolgicos, o como coadyuvantes de vacunas, tanto para uso humano como veterinario. A travs de estos estudios se ha adquirido una nueva dimensin de los fenmenos biofsicos referido a los entornos restringidos. En este marco, ha habido enormes avances en nano partculas, confinamiento de agua en micelas inversas, las propiedades de interfases en membranas y en estructuras proteicas. En resumen, un mayor conocimiento biofsico (entendida en el marco de lo definido arriba) dara lugar a la ingeniera de sistemas (nanopartculas y sistemas biomimticos) que sean cualitativamente distintivos por su eficiencia en el uso aplicado. En una apretada sntesis, la Tabla II enumera algunos aspectos de la Biofsica poco desarrollados y los posibles aportes que los mismos haran a los fines biotecnolgicos.

TABLA II

ASPECTOS INNOVADORES DE LA BIOFISICA Y SUS PROYECCIN A LA

NANOBIOTECNOLOGIAS BIOFISICA BIOTECNOLOGIA Proyecciones Biofsica del agua y sistemas acuosos Procesos de deshidratacin/rehidratacin. Estres hdrico, estrs osmtico. Sustitucin de agua por productos naturales.

Problemas relativos a escasez de agua en clulas vegetales, animales y bacterias. Actividad de agua en alimentos. Preservacin de material biolgico Biofsica de vegetales Estudios de flujo de oxgeno, agua y sustratos en membranas celulares. Procesos fotosintticos. Mecanismos de defensa anti -estrs hdrico.

Calidad de vegetales post cosecha. Prdida de viabilidad celular y material celular en medios ridos. Accin de fertilizantes,

10 Estrs salino. pesticidas y sales. Biofsica de alimentos Reologa de Hidrocoloides y Protenas en suspensin. Denaturalizacin de protenas. Estructura y propiedades del agua en matrices complejas de polisacaridos naturales. Encapsulamiento.

Estabilidad de emulsiones de inters alimentario. Uso de productos naturales

Biofsica del estrs oxidativo Procesos antiradicalarios. Mecanismos de agentes antoxidantes. Mecanismos de accin de enzimas peroxidantes a diferentes niveles de agua

Bsqueda de productos naturales con propiedades antioxidantes. Biofsica de nanopartculas Nanopartculas lipdicas. Encapsulamiento de frmacos en liposomas y vesculas. Optimizacin del uso de coadyuvantes con materiales GRAS para vacunas.

Biomedicina Vacunas Nano medicina humana y animal. Biofsica de sistemas complejos Mecanismos de seales electro-qumicas. Fotoqumica y Biosensores. Canales y especificidad inica. Nanosistemas. Semioqumica. Feromonas naturales y plagas. Percepcin remota.

Biofsica y Sociedad. La sociedad est enfrentando serios problemas a nivel global. Cmo se resuelve la crisis de energa, cmo se puede alimentar a la poblacin mundial, cmo remediar el calentamiento global, cmo preservar la diversidad de especies biolgicas, cmo asegurar agua limpia y abundante, son solo algunas preguntas relevantes. Si bien la concrecin de medidas para solucionar estos problemas son de carcter estrictamente poltico, requieren una mirada cientfica innovadora. Es decir, que mire ms all de los esquemas establecidos que suelen ser generalmente rgidos e insuficientes. Es decir, no solo hay que vencer barreras poltico-econmicas sino tambin superar paradigmas cientficos.

11 En este contexto, la biofsica aparece como la disciplina fundamental, dado su caracter interdisciplinario, para realizar estudios integrales en donde se amplen y generalizen principios bsicos y se conozcan a nivel molecular los mecanismos biolgicos. Con esta base, creemos oportuno dirigir la atencin a algunos aspectos poco desarrollados de la Biofsica a nivel internacional y mayormente a nivel nacional que son areas de vacancias en los estudios bsicos, pero que constituyen excelentes pilares para el desarrollo de sistemas, optimizacin de procesos y utilizacin de sistemas recuperables que sean aplicables con fines biotecnolgicos de alto valor agregado y ms an en los criterios empleados en la formacin de recursos humanos para docencia y desarrollo. Conclusiones. La piedra fundamental de la Biofsica en su fase microscpica fue la visin molecular de la Biologa anticipada por Schrdinger y la proyeccin global e integradora de la Termodinmica a los sistemas abiertos. Los dos caminos se confunden hoy en la Biotecnologa. La Biotecnologa moderna comenz hace exactamente 60 aos como resultado del descubrimiento de la estructura del ADN por Watson y Crick. Hoy puede insertarse un gen humano en una bacteria, y producir insulina o algn otro compuesto con su extraordinaria capacidad de utilizar agentes y procesos biolgicos aplicados a la fabricacin de medicamentos, productos para la biorremediacin de residuos, o la manipulacin de especies vegetales y animales para conferirles nuevas propiedades." La biotecnologa juega un papel importante, por ejemplo en la produccin de jarabe de maz, o de almidones modificados, tanto para la produccin de cartn como de alimentos. Entre los ltimos avances descollantes figura el desarrollo de cereales transgnicos resistentes a la sequa, que dio lugar a una patente de alcance mundial. En la actualidad, se calcula que existen en el pas unas 124 empresas que innovan o utilizan procesos biotecnolgicos, y cuyos productos se exportan a 120 pases. Treinta y tres integran el Foro Argentino de Biotecnologa y, a fines

12 de 2011, se cre la Cmara Argentina de Biotecnologa (CAB), que agrupa a 20, todas de capitales nacionales. La transversalidad de la Biofsica con la Biotecnologa se observa en salud humana y veterinaria, agroindustria, biocombustibles, alimentos y reactivos de diagnostic. Segn el ministro Baraao, podemos dividir la biotecnologa en tres sectores: la biotecnologa verde [vegetal], la roja [aplicable a la salud humana] y la biotecnologa "blanca" o industrial. En paralelo, podemos identificar debajo de estas definiciones la biofsica de vegetales, del agua, de nanopartculas, de bacterias y de compuestos naturales y alimentos mencionados en la Tabla II. Por ende, la Biofsica es una disciplina moderna y dinmica en la que se deberan poner esfuerzos para formar recursos humanos no solo para su idoneidad como Biotecnlogos sino para que como cientficos avancen en un concepto de ciencia ms integrador y solidario en el mbito regional y nacional. Referencias. Bangham, A., Hill, M.W., and Miller, N.G.A., Preparation and use of liposomes as models of biological membranes, in Methods in Membrane Biology, Vol.I., Plenum Press, New York, 1974, 1. Bertalanffy, L. von General Systems Theory, George Brazilier, New York. 1968 Disalvo, E. A. "Contribucin de la Fisicoqumica a la Biofsica" Actividad, 2, 26-31, 1987. Disalvo, E.A., Lairion, F., Martini, F., Almaleck, H., Diaz S., Gordillo, G., Water at biological Interfaces: does it play a functional role?, J. Argentine Chem. Soc., 2004, 92 (4/6) 1-22. Disalvo, E. A. "Yo admiro a Willard Gibbs" Perfil - Ciencia 20/5/ 2007, pp 47.

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