Exemplos da biofísica

A biofísica é a disciplina científica que combina biologia e física para estudar os seres vivos.

Os biofísicos são profissionais que devem compreender perfeitamente a relação entre a biologia e a física com o objetivo de compreender os processos biológicos e bioquímicos dos organismos a um nível fundamental.

Bioquímica e biofísica são áreas que funcionam em perfeita combinação. É cada vez mais comum estudar os processos bioquímicos das células através de simulações computacionais utilizando métodos biofísicos.

Outros exemplos de utilização da física aplicada à biologia são a geração de próteses, o estudo do sistema nervoso através de modelos eletromagnéticos ou como a radiação afeta os seres vivos através de modelos de radioatividade.

A biofísica tornou-se muito importante nos últimos anos graças à fusão da física, engenharia e biologia.

O aprimoramento exponencial das novas tecnologias tem permitido, por exemplo, a utilização de supercomputadores para estudar detalhadamente proteínas, medicamentos ou material genético.

Além disso, melhorias na engenharia permitiram o avanço da biônica, melhorando a fusão entre sistemas biológicos e eletrônicos.

Toda esta evolução a nível tecnológico está a permitir aumentar a qualidade de vida de muitas pessoas no mundo, quer através de uma melhor compreensão das nossas células, da capacidade de conceber medicamentos mais eficazes, quer através da substituição de partes não funcionais do corpo por sistemas eletrônicos capazes de substituí-los.

Os campos da biologia e da física estão intimamente relacionados. Tudo o que estudamos a nível celular, de tecido e de organismo é determinado pelas leis mais fundamentais do universo, estudadas pela física.

Afinal, todas as interações e reações que ocorrem a nível celular e metabólico são determinadas por forças eletromagnéticas.

A troca de elétrons nas reações enzimáticas é guiada pelos fenômenos quânticos desses elétrons.

A mobilidade das bactérias em meio aquoso é determinada pelo movimento dos cílios ou flagelos em meio líquido, o que pode ser explicado com modelos físicos de movimento em fluidos.

Como vemos, tudo o que acontece nos organismos vivos pode ser estudado do ponto de vista físico.

Tudo o que acontece no nosso cosmos é o resultado do que acontece nos níveis atômico e subatômico.

Na imagem a seguir você pode ver os diferentes níveis de organização do assunto. Do nível subatômico à formação de um organismo. Com isso podemos ver que o que acontece no nível macroscópico é determinado pelo mundo microscópico.

A biofísica é dividida em diferentes ramos dependendo da área da biologia e da física em que se especializa.

A seguir daremos alguns exemplos e mencionaremos suas aplicações:

A dinâmica das proteínas é o campo da biofísica que aplica as leis fundamentais da física ao estudo do movimento das proteínas. Isso nos permite estudar as características de uma proteína por meio de simulações computacionais.

Para fazer esse tipo de estudo, é utilizada uma técnica chamada dinâmica molecular. Este campo da física aplicada à biologia utiliza as leis de Newton para calcular em que posição cada átomo da proteína estará em um determinado momento.

Ao iterar este procedimento podemos simular os movimentos de uma proteína dentro de um organismo.

Isto permite-nos, por exemplo, estudar a estabilidade de uma proteína, compreender a interação entre duas proteínas ou estudar o enovelamento/desnaturação de proteínas.

Para realizar este procedimento precisamos aplicar outras áreas da biofísica, como a cristalização de proteínas por raios X. Desta forma, podemos obter uma imagem da proteína e modelá-la no computador. Uma vez modelado, as simulações mencionadas acima podem ser realizadas.

Um exemplo deste procedimento é mostrado no diagrama a seguir.

O primeiro passo é cristalizar a proteína (obter experimentalmente a estrutura da proteína e transferi-la para o computador). Assim que tivermos os dados experimentais da estrutura, modelamos a referida proteína no computador, obtendo um modelo bastante realista. Por fim, realizamos simulações de dinâmica molecular para compreender as características da referida biomolécula.

A biologia estrutural é um ramo da bioquímica e da biologia molecular que tem como objetivo o estudo da estrutura das biomoléculas.

Este estudo não pode ser realizado com microscópios convencionais, pois as proteínas ou o DNA são muito pequenos para serem vistos em microscópios ópticos.

Para obter informações dessas macromoléculas, utiliza-se radiação eletromagnética.

Um exemplo é o uso da técnica de cristalografia de raios X para estudar moléculas de proteínas. Os raios X interagem com os elétrons da proteína para criar um padrão de difração a partir do qual a estrutura da referida proteína pode ser inferida.

Posteriormente, o modelo é construído no computador e...

Voilà, agora temos a estrutura atômica da proteína de nosso interesse!

Existem outras técnicas também utilizadas para estudar a estrutura molecular das proteínas, como a ressonância magnética nuclear, que permite obter detalhadamente distâncias e ângulos entre os átomos e estudar o comportamento das proteínas em condições fisiológicas.

Outra aplicação da física biológica é o desenvolvimento de novos medicamentos. Este processo é experimentalmente muito caro, pois milhares de experimentos precisam ser realizados para encontrar o medicamento que realmente funciona.

Tudo isso pode ser acelerado por meio de simulações computacionais. Graças aos poderosos computadores de hoje, a física e a matemática podem ser usadas para filtrar e encontrar moléculas com potencial para se tornarem um medicamento eficaz.

Existem muitas técnicas de simulação computacional para realizar essa triagem. Alguns deles fazem uso da mecânica quântica, da inteligência artificial ou da topologia (ramo da matemática que estuda as formas dos objetos).

A imagem a seguir mostra um diagrama simplificado desse processo.

Temos uma grande variedade de medicamentos e queremos encontrar aqueles que possam ser potencialmente eficazes contra uma doença.

Colocamos eles neste funil que representa o processo de triagem virtual. Este processo de triagem, utilizando modelos físicos como os que mencionamos acima (mecânica quântica, inteligência artificial ou topologia) faz uma seleção e retorna os melhores candidatos.

Graças à possibilidade de utilizar a física e a matemática na biologia, o desenvolvimento de medicamentos está a tornar-se mais barato e mais eficaz.

Esta disciplina estuda as partes mecânicas dos seres vivos, entendendo seu mecanismo e projetando artificialmente estruturas que podem substituir partes mecânicas do nosso corpo que não funcionam bem. Este ramo da física aplicada à biologia mistura biologia, física, engenharia e anatomia.

Por exemplo, um marcapasso é um dispositivo colocado próximo ao coração e sua função é manter uma frequência cardíaca constante. Este mecanismo substituiu a função das células marcapasso do coração.

Outro exemplo é a fabricação de próteses para substituir membros não funcionais do corpo. Para projetar melhores próteses, estudamos como funcionam as partes do corpo a serem substituídas, tentando replicá-las artificialmente para ajudar o paciente a ter a maior qualidade de vida possível.

A bioenergética é a parte da biofísica responsável por estudar os mecanismos que geram energia em nosso corpo. Os humanos obtêm energia através dos alimentos. Os alimentos armazenam energia em suas ligações químicas.

A bioenergética usa um campo da físico-química chamado termodinâmica para compreender a absorção, transformação e distribuição de energia nos organismos vivos.

Nosso metabolismo é responsável por extrair essa energia dos alimentos e armazená-la na forma de uma molécula orgânica chamada ATP. Quando nosso corpo precisa de energia para se mover ou realizar funções vitais, ele decompõe essa molécula e a libera.

Radiobiologia é a ciência que estuda o efeito das radiações ionizantes e não ionizantes em um organismo vivo.

Existem diferentes fontes de radiação ionizante: raios X, raios gama, raios alfa, entre outros.

Compreender a radioatividade e os seus efeitos nos organismos vivos é essencial para nos protegermos e evitarmos as consequências fatais que pode ter sobre nós.