Exemples de biophysique

La biophysique est la discipline scientifique qui combine la biologie et la physique pour étudier les êtres vivants.

Les biophysiciens sont des professionnels qui doivent parfaitement comprendre la relation entre la biologie et la physique dans le but de comprendre les processus biologiques et biochimiques des organismes à un niveau fondamental.

La biochimie et la biophysique sont des domaines qui fonctionnent en parfaite combinaison. Il est de plus en plus courant d’étudier les processus biochimiques des cellules au moyen de simulations informatiques utilisant des méthodes biophysiques.

D'autres exemples d'utilisation de la physique appliquée à la biologie sont la génération de prothèses, l'étude du système nerveux à travers des modèles électromagnétiques ou la manière dont les rayonnements affectent les êtres vivants à l'aide de modèles de radioactivité.

La biophysique est devenue très importante ces dernières années grâce à la fusion de la physique, de l'ingénierie et de la biologie.

L’amélioration exponentielle des nouvelles technologies a permis, par exemple, l’utilisation de superordinateurs pour étudier en détail des protéines, des médicaments ou du matériel génétique.

De plus, les progrès de l’ingénierie ont permis de faire progresser la bionique, améliorant ainsi la fusion entre les systèmes biologiques et électroniques.

Toute cette évolution au niveau technologique permet d'augmenter la qualité de vie de nombreuses personnes dans le monde, soit par une meilleure compréhension de nos cellules, soit par la capacité de concevoir des médicaments plus efficaces, soit par le remplacement de parties du corps non fonctionnelles par des des systèmes électroniques capables de les remplacer. .

Les domaines de la biologie et de la physique sont étroitement liés. Tout ce que nous étudions au niveau cellulaire, tissulaire et organisme est déterminé par les lois les plus fondamentales de l’univers, étudiées par la physique.

Après tout, toutes les interactions et réactions qui se produisent au niveau cellulaire et métabolique sont déterminées par des forces électromagnétiques.

L'échange d'électrons dans les réactions enzymatiques est guidé par les phénomènes quantiques de ces électrons.

La mobilité des bactéries dans un milieu aqueux est déterminée par le mouvement des cils ou des flagelles dans un milieu liquide, qui peut être expliqué par des modèles physiques de mouvement dans les fluides.

Comme nous le voyons, tout ce qui se passe dans les organismes vivants peut être étudié d’un point de vue physique.

Tout ce qui se passe dans notre cosmos est le résultat de ce qui se passe aux niveaux atomique et subatomique.

Dans l'image suivante, vous pouvez voir les différents niveaux d'organisation du dossier. Du niveau subatomique à la formation d'un organisme. Nous pouvons ainsi voir que ce qui se passe au niveau macroscopique est déterminé par le monde microscopique.

La biophysique est divisée en différentes branches selon le domaine de la biologie et de la physique dans lequel elle se spécialise.

Ensuite, nous donnerons quelques exemples et mentionnerons leurs applications :

La dynamique des protéines est le domaine de la biophysique qui applique les lois fondamentales de la physique à l'étude du mouvement des protéines. Cela nous permet d’étudier les caractéristiques d’une protéine grâce à des simulations informatiques.

Pour réaliser ce type d’étude, une technique appelée dynamique moléculaire est utilisée. Ce domaine de la physique appliqué à la biologie utilise les lois de Newton pour calculer dans quelle position se trouvera chaque atome de la protéine à un instant donné.

En itérant cette procédure, nous pouvons simuler les mouvements d’une protéine au sein d’un organisme.

Cela permet par exemple d’étudier la stabilité d’une protéine, de comprendre l’interaction entre deux protéines ou encore d’étudier le repliement/dénaturation d’une protéine.

Pour réaliser cette procédure, nous devons appliquer d'autres domaines de la biophysique, comme la cristallisation des protéines à l'aide des rayons X. De cette façon, nous pouvons obtenir une image de la protéine et la modéliser sur ordinateur. Une fois modélisées, les simulations évoquées ci-dessus peuvent être réalisées.

Un exemple de cette procédure est présenté dans le diagramme suivant.

La première étape consiste à cristalliser la protéine (obtenir expérimentalement la structure de la protéine et la transférer à l'ordinateur). Une fois que nous disposons des données expérimentales de la structure, nous modélisons ladite protéine sur ordinateur, obtenant ainsi un modèle assez réaliste. Enfin, nous effectuons des simulations de dynamique moléculaire pour comprendre les caractéristiques de ladite biomolécule.

La biologie structurale est une branche de la biochimie et de la biologie moléculaire dont l'objectif est l'étude de la structure des biomolécules.

Cette étude ne peut pas être réalisée avec des microscopes conventionnels car les protéines ou l'ADN sont trop petits pour être vus au microscope optique.

Afin d’obtenir des informations sur ces macromolécules, un rayonnement électromagnétique est utilisé.

Un exemple est l’utilisation de la technique de cristallographie aux rayons X pour étudier les molécules de protéines. Les rayons X interagissent avec les électrons de la protéine pour créer un diagramme de diffraction à partir duquel la structure de ladite protéine peut être déduite.

Par la suite, le modèle est construit sur ordinateur et...

Voilà, nous avons maintenant la structure atomique de la protéine qui nous intéresse !

Il existe d'autres techniques également utilisées pour étudier la structure moléculaire des protéines, comme la résonance magnétique nucléaire, qui permet d'obtenir en détail les distances et les angles entre les atomes et d'étudier le comportement des protéines dans des conditions physiologiques.

Une autre application de la physique biologique est la conception de nouveaux médicaments. Ce processus est très coûteux expérimentalement puisque des milliers d’expériences doivent être réalisées afin de trouver le médicament qui fonctionne réellement.

Tout cela peut être accéléré grâce à des simulations informatiques. Grâce aux ordinateurs puissants d'aujourd'hui, la physique et les mathématiques peuvent être utilisées pour filtrer et trouver des molécules susceptibles de devenir un médicament efficace.

Il existe de nombreuses techniques de simulation informatique pour réaliser ce dépistage. Certains d’entre eux font appel à la mécanique quantique, à l’intelligence artificielle ou à la topologie (une branche des mathématiques qui étudie la forme des objets).

L'image suivante montre un diagramme simplifié de ce processus.

Nous disposons d’une grande variété de médicaments et nous souhaitons trouver ceux qui peuvent potentiellement être efficaces contre une maladie.

Nous les mettons dans cet entonnoir qui représente le processus de sélection virtuelle. Ce processus de sélection, utilisant des modèles physiques tels que ceux que nous avons évoqués plus haut (mécanique quantique, intelligence artificielle ou topologie), effectue une sélection et renvoie les meilleurs candidats.

Grâce à la possibilité d’utiliser la physique et les mathématiques en biologie, le développement de médicaments devient moins coûteux et plus efficace.

Cette discipline étudie les parties mécaniques des êtres vivants, comprend leur mécanisme et conçoit artificiellement des structures capables de remplacer les parties mécaniques de notre corps qui ne fonctionnent pas bien. Cette branche de la physique appliquée à la biologie mélange la biologie, la physique, l'ingénierie et l'anatomie.

Par exemple, un stimulateur cardiaque est un appareil placé à côté du cœur et dont la fonction est de maintenir une fréquence cardiaque constante. Ce mécanisme a remplacé la fonction des cellules stimulateurs cardiaques du cœur.

Un autre exemple est la fabrication de prothèses pour remplacer des membres du corps non fonctionnels. Afin de concevoir de meilleures prothèses, nous étudions le fonctionnement des parties du corps à remplacer, en essayant de les reproduire artificiellement pour aider le patient à avoir la meilleure qualité de vie possible.

La bioénergétique est la partie de la biophysique chargée d'étudier les mécanismes qui génèrent de l'énergie dans notre corps. Les humains obtiennent de l’énergie grâce à la nourriture. Les aliments ont stocké de l'énergie dans leurs liaisons chimiques.

La bioénergétique utilise un domaine de la chimie physique appelé thermodynamique pour comprendre l'absorption, la transformation et la fourniture d'énergie dans les organismes vivants.

Notre métabolisme est chargé d’extraire cette énergie des aliments et de la stocker sous la forme d’une molécule organique appelée ATP. Lorsque notre corps a besoin d’énergie pour bouger ou pour remplir des fonctions vitales, il décompose cette molécule et la libère.

La radiobiologie est la science qui étudie l'effet des rayonnements ionisants et non ionisants sur un organisme vivant.

Il existe différentes sources de rayonnements ionisants : rayons X, rayons gamma, rayons alpha, entre autres.

Comprendre la radioactivité et ses effets sur les organismes vivants est essentiel pour pouvoir se protéger et éviter les conséquences fatales qu'elle peut avoir sur nous.