La biofísica es un campo de investigación relativamente joven en el que científicos de muchos campos, por supuesto física y biología, pero también matemáticas, química, ingeniería, medicina, ciencia de los materiales…, exploran y crean nuevas herramientas para entender cómo funcionan los sistemas biológicos: desde una célula tumoral a un ecosistema complejo, es decir, la vida entera. Su campo de aplicación es inmenso y en la actualidad, utilizando los fundamentos de esta disciplina, los biofísicos diseñan sistemas de bionanotecnología para administración de fármacos, materiales para prótesis, combustibles inspirados en la vida, modelos informáticos para estudiar el plegamiento de proteínas o la expansión de enfermedades infecciosas como la covid-19, así como nuevas tecnologías de diagnóstico de enfermedades y de tratamientos médicos.

Hasta la segunda o tercera década de este siglo los sistemas biológicos (un virus, una célula, una palmera, un sistema nervioso, un tumor, un sacristán, los niños de una escuela, un bosque, todos los bosques, el equipo de tercera de Atlanta, los vegetales, la humanidad, toda la biosfera) parecían constituir una violación tan flagrante de la segunda ley de la termodinámica que el propio Lord Kelvin limitó su enunciado a ‘entidades materiales inanimadas’. En realidad, puesto que ningún sistema vivo es un sistema cerrado no se le puede aplicar así no más la segunda ley. Sin embargo, esta escapatoria legalista no nos deja muy conformes en vista de que en un mundo que tiende a desorganizarse, los sistemas biológicos siguen el curso opuesto: un espermatozoide más un óvulo, se convierten con el tiempo en un elefante de varias toneladas.” Esta cita insuperable es de Marcelino Cereijido, investigador emérito de fisiología y biofísica del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional de México.

En su texto ¿Qué es la biofísica?, Cereijido se remonta a lo que muchos científicos consideran “uno de los comienzos de la biofísica”, el libro ¿Qué es la vida? del físico cuántico Erwin Schrödinger, premio Nobel de Física en 1933. Schrödinger se tomó en serio este aparente desafío de los seres vivos a la segunda ley de la termodinámica y quiso responder en términos físicos a la cuestión filosófica intemporal de qué demonios es la vida, que el químico James Lovelock, autor de la hipótesis de Gaia, definió como “algo comestible, amable o letal”. El 5 de febrero de 1943, Schrödinger pronunció la primera de tres conferencias en el Trinity College de Dublín sobre un asunto inusual para un físico: ¿Qué es la vida? Un año después, las conferencias se convirtieron en el libro que por primera vez fusionó la física y la biología.

Casi noventa años después de esta pregunta clave, la biofísica se ha con[1]vertido en una disciplina amplia y multidisciplinar que tiene el objetivo de comprender el cuerpo humano y el resto de seres vivos en términos físicos. Joven como área académica, la biofísica experimentó un auge importante a partir de la II Guerra Mundial y en 1958 se creó la Biophysical Society, cuya sede está en la ciudad de Rockville, Estados Unidos. La Sociedad de Biofísica de España se creó casi treinta años después, en 1986.

Como todas las moléculas de la vida se basan en interacciones biofísicas y bioquímicas, todas son susceptibles de ser analizadas bajo la luz del punto de vista físico. La biofísica suele dividirse en tres ámbitos atendiendo a los niveles de estructuración de un sistema biológico: biofísica molecular, biofísica celular y biofísica de los sistemas complejos (organismos, especies, ecosistemas). Su campo de observación es tan amplio como la misma vida: desde cómo se comunican las células nerviosas o se pliegan las proteínas, hasta la forma en la que las células vegetales capturan luz para transformarla en energía, por qué ciertos desafortunados cambios en el ADN de células sanas las mutan en cancerosas, cómo funcionan nuestros sistemas circulatorio, nervioso o inmunitario, la expansión de las infecciones o la evolución de ecosistemas con muchas especies interaccionando entre sí y muchas variables influenciando su futuro. También interviene en investigaciones que producen ingentes cantidades de datos, como la secuenciación completa del genoma humano o el proyecto Human Cell Atlas. Y así hasta cada problema biológico que se nos ocurra. En definitiva, lo que ha dejado claro la biofísica en estos años que han pasado desde la pregunta de Schrödinger es que, para entender los procesos biológicos, también hay que saber de física.

El mundo bionano

María José Gálvez es catedrática de Física Aplicada en la Universidad de Granada, donde puso en marcha las asignaturas de biofísica y bionanotecnología. Lleva más de treinta años haciendo física aplicada a sistemas biológicos. Su tesis doctoral trató la formación de cálculos biliares y las interacciones entre los diferentes componentes que intervienen, como colesterol y ácidos biliares. En los últimos años, investiga la aplicación de técnicas de nanotecnología al mundo biológico. En concreto trabaja en el desarrollo de sistemas nanotransportadores, vehículos de escala nanométrica -una millonésima de milímetro- capaces de transportar fármacos a órganos específicos. “Empecé con un fármaco antiobesidad y ahora ya llevamos casi ocho años dedicados al transporte de fármacos anticancerígenos”, cuenta Gálvez en conversación telefónica.

Lo que esta física y su equipo multidisciplinar —médicos, biotecnólogos, químicos, bioquímicos...— hacen es diseñar un sistema diminuto y esta[ble que transporte el fármaco, capaz de superar todas las barreras biológicas que se encontrase en un recorrido real por el interior del cuerpo humano, y que además funcionalizan para que se dirija exclusivamente al órgano afectado. “Así conseguimos que los tratamientos sean, primero, más efectivos, más eficaces, porque el fármaco va protegido y por tanto se requiere menos dosis, y además evitar los terribles efectos secundarios porque nuestro sistema no afectaría a las células sanas”, explica Gálvez. Dentro de esta línea, en una de las tesis doctorales que dirige esta investigadora, comparan la interacción de diferentes fármacos anticancerígenos con membranas reales de células enfermas, cancerígenas, y con membranas reales de células sanas. También estudian la forma de administración del fármaco por vía oral para lo que realizan simulaciones de digestiones in vitro.

Parece un sueño difícil de mejorar y desde hace décadas, todo un ejército de investigadores de todo el mundo, como Gálvez, trabaja para conseguir transportar estos fármacos de una manera selectiva, especialmente en cáncer. Pero la realidad está mostrándose tozuda: muy pocas de estas investigaciones llegan a los ensayos clínicos. “Terapias que se basen en nanopartícu[las habrá no más de ocho. El problema fundamental es que hay un desconocimiento grande de cómo interacciona cualquier tipo de material en el sistema biológico. Nosotros en este proyecto trabajamos con médicos y con especialistas en células madre cancerígenas. Toda la investigación la dirigimos, precisamente, a ir contra esa subpoblación inicial del tumor que son las células madre cancerígenas y llegamos a hacer ensayos in vitro e in vivo con modelos animales, pero llegar a un ensayo clínico realmente es muy complejo. Conocer la acción de un material, nanotransportador o fármaco, sobre diferentes entidades biológicas es precisamente un tema propio de la biofísica, y aún queda mucho por investigar para conocer todos los procesos implicados y poder ofrecer alternativas a las actuales terapias anticancerígenas”.

Corazones robot

La biofísica está detrás del desarrollo de tratamientos y dispositivos tan esencia[1]les para la vida humana como la diálisis renal, la radioterapia, los desfibrilado[1]res cardíacos, los marcapasos y las válvulas cardiacas artificiales. Una temprana ambición de la medicina era fabricar órganos artificiales completos y, entre ellos, la aparente sencillez del corazón —en principio apenas se una bomba con cuatro cámaras— y la enor[1]me magnitud de sus problemas —la OMS estima que las enfermedades cardiovasculares representaron alrededor de un 31% de todas las muertes registradas en el mundo en 2015 — hizo que a principios de los años 80 pareciera un desafío posible. Como en el caso de los bionanotransportadores, y por razones parecidas, esto está resultando de la mayor dificultad.

En 1982, un dentista de Seattle llamado Barney Clark se convirtió en el primer receptor de un corazón mecánico permanente. Sobrevivió 112 días en condiciones miserables y no pudo lle[1]gar a salir del hospital. El corazón mecánico que mantuvo a Clark con vida durante esos días se llamó Jarvik-7 por su inventor, Robert Jarvik. Según Scientific American, cuatro pacientes más recibieron corazones Jarvik-7 y uno llegó a sobrevivir 620 días, pero la calidad de vida era tan pobre y la ima[1]gen pública de estos corazones tan mala –los 112 días de Clark se siguieron casi de forma diaria en los telediarios– que, en 1990, la FDA estadounidense retiró el permiso para fabricar más.

Hoy los científicos consideran que el problema de los Jarvik-7 fue cierta ingenuidad de sus diseñadores ante la complejidad dinámica del órgano y de la física del flujo sanguíneo, el comportamiento de las plaquetas... es decir, de la biofísica del corazón y de su relación con el resto de complejidades del cuerpo humano, la vida. De hecho, las dos amenazas más peligrosas para la supervivencia de los receptores de estos sistemas fueron los problemas de coagulación, que provocaban accidentes cardiovasculares, y las infecciones. Se han diseñado otros modelos de corazones mecánicos permanentes mejorados - AbioCor, por ejemplo, que estuvo en ensayos clínicos entre 2001 y 2004 y los recibieron 14 personas, y CardioWest, usado solo como un paso previo al trasplante- pero el sueño de fabricar corazones mecánicos permanentes a pleno funcionamiento sigue siendo sólo eso, un sueño.

Kit Parker es catedrático de bioingeniería y física aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard. El pasado mes de febrero, Parker y su equipo, en colaboración con biofísicos de la Universidad de Emory, publicaron en la revista Science la creación de una máquina única: el primer pez biónico fabricado con células cardíacas humanas, que nada de forma totalmente autónoma siguiendo el latido de las células. La visión de uno de estos peces, de aspecto similar a un extraño pez cebra, es fascinante: impulsado por células musculares cardíacas, que derivan de células madre humanas, el pez biónico nada recreando las contracciones musculares de un corazón humano latiendo.

El desarrollo de este sistema único acerca al equipo al desarrollo de una bomba muscular artificial más compleja y constituye una plataforma, un modelo, sobre el que estudiar enfermedades cardíacas como, por ejemplo, la arritmia. Algunos años antes, en 2012, estos investigadores ya utilizaron células musculares cardíacas de rata para construir una bomba biohíbrida parecida a una medusa y en 2016 crearon una raya artificial nadadora con el mismo procedimiento. Pero, sobre todo, este extraño pez es un paso más hacia la construcción de un corazón artificial. La aspiración de Parker y su equipo es construir un corazón artificial que sustituya corazones con malformaciones en niños. De menor tamaño, estos corazones suponen aún más complejidades que los órganos adultos. Jarvik-7, por ejemplo, era tan grande como una nevera.

Para Parker, la dificultad para construir un órgano artificial vuelve a estar en la comprensión de su compleja biofísica. “Puedes cultivar algunas células tumorales al azar en una placa hasta convertirlas en un bulto palpitante y llamarlo organoide cardíaco, pero ninguno de esos esfuerzos va a recrear, por su diseño, la física de un sistema que late más de mil millones de veces durante su vida mientras reconstruye simultáneamente sus células sobre la marcha. Ese es el reto. Ahí es donde nos ponemos a trabajar”, explicó Parker en una nota de prensa. “La mayor parte de los trabajos de construcción de tejidos cardíacos o de corazones se centran en replicar las características anatómicas o el simple latido del corazón en los tejidos diseñados. Pero aquí nos inspiramos en la biofísica del corazón, lo que es más difícil. En lugar de utilizar las imágenes del corazón como modelo, estamos identificando los principios biofísicos clave que hacen que el corazón funcione, utilizándolos como criterios de diseño, y replicándolos en un sistema, un pez vivo y nadador, donde es mucho más fácil ver si tenemos éxito”, explicó. El siguiente paso que se plantean es construir dispositivos biohíbridos aún más complejos partiendo también de células cardíacas humanas.

El horizonte

La perspectiva de observar el mundo vivo incluyendo su variable física proporciona una imagen más completa, real y también más compleja de la vida, y está transformando nuestra comprensión del mundo biológico. Como muestran las citadas investigaciones con bionanomateriales y con sistemas que intentan recrear la biofísica de órganos complejos, la biofísica es un campo científico a la vanguardia para solucionar problemas humanos tan antiguos como la enfermedad, pero también problemas del acuciante presente y del incierto futuro, como la energía o la escasez de materiales. Para María José Gálvez se trata de una ciencia de frontera donde su carácter multidisciplinar es fundamental, pero también causa de alguno de sus problemas. “Se tienen que construir muy bien los equipos de investigación. Nosotros en nuestro proyecto estamos trabajando médicos, bioquímicos, químicos, biotecnólogos, físicos… Y claro, el problema está en el encaje académico porque nosotros trabajamos en un departamento de Física Aplicada. No existe ningún departamento de Biofísica, que yo sepa, en España, ni un grado de biofísica. Existe en Estados Unidos, pero la semana pasada la Academia Nacional de Ciencias, Ingeniería y Medicina decía que la biofísica está muy poco representada dentro del currículum de física, y una serie de investigadores reclaman que se considere un área específica análoga a la materia condensada o la física nuclear”. Esta situación hace que la biofísica sea difícil de situar, sobre todo en el mundo universitario donde se hace investigación y también docencia. “En España normalmente las plazas se dotan con perfiles docentes. Entonces, tener un grupo de investigación multidisciplinar en un departamento que no tiene ese carácter multidisciplinar complica las cosas, evidentemente”, explica. También están las dificultades a la hora de buscar financiación. “Yo trabajo en un departamento de Física Aplicada, es decir, tenemos que aplicar la física que hacemos, y para mí es mejor llevar a cabo una investigación que, aunque sea investigación básica como hacemos nosotros, tenga un carácter aplicado, porque eso me permite obtener más financiación”, concluye.