La convergencia de la Física, la Nanotecnología y la Biología

Los libros de Biología suelen describir los procesos biológicos desde el punto de vista de la Química y la Física suele aparecer como un contexto global más o menos lejano a los problemas biológicos, que tradicionalmente ha aportado técnicas (por ejemplo el microscopio electrónico o la resonancia magnética). Sin duda, la Bioquímica ha sido fundamental para explicar muchos procesos, entender enfermedades y por supuesto el desarrollo de la moderna industria farmacéutica de la que (unos más que otros) nos beneficiamos.

En los últimos años, las herramientas tecnológicas e intelectuales de la Física se han aplicado por fin a la Biología. Físicas y físicos como yo en todo el mundo se han lanzado a una de las últimas fronteras de nuestro campo: las medidas cuantitativas y los modelos teóricos que expliquen (y no solo describan) desde principios fundamentales los procesos biológicos. Asistimos a una de esas etapas tan interesantes en la historia de la ciencia donde los campos empiezan y las pioneras de la ciencia colonizan nuevos territorios, en este caso la Física Biológica.

Sonia Contera.

Dentro de la Física Biológica, nos interesa especialmente el papel de las fuerzas y la mecánica en Biología. A su nivel más fundamental (por lo menos desde el conocimiento y las técnicas de las que ahora disponemos) la escala más relevante para la Biología es el nanómetro. Las proteínas y el ADN que son los agentes de todos los procesos biológicos a nivel molecular pueden ser consideradas como “nano-máquinas” creadas por millones de años de evolución biológica. La convergencia de la Nanotecnología y la Biológica ha facilitado que las armas de las físicas y nanotecnólogas (como la microscopia de fuerzas) se utilicen para entender el funcionamiento de las nano-máquinas biológicas (las proteínas, las membranas, el ADN), y en particular los aspectos mecánicos de este funcionamiento.

En mi trabajo utilizo las armas de la nanotecnología para entender la Biología desde el punto de vista de la Física, y después intento aplicar este conocimiento para fabricar materiales inspirados en la Biología que tengan aplicaciones en otras áreas, por ejemplo la Medicina. Un campo particularmente interesante es la regeneración de tejidos.

Las células usan fuerza para explorar los materiales que les rodean y para comunicarse con su entorno

La mayor parte de las células inspeccionan los materiales con los que entran en contacto usando interacciones adhesivas en la escala nanométrica. Cuando las células se adhieren a un substrato, modulan sus propias propiedades mecánicas endureciéndose o ablandándose según a qué material se peguen usando fuerzas ejercidas por su citoesqueleto para obtener información y adaptarse mecánicamente a su entorno. En los tejidos vivos, las células se organizan como resultado de interacciones complejas, con la matriz extracelular, que es un entramado de moléculas, y nano-estructuras fibrosas mecánicamente activo (el colágeno, el ácido hialurónico, y otras proteínas que se mencionan en los anuncios de cosméticos son componentes de esta matriz extracelular, y realizan la función de mantener la elasticidad de los tejidos, que se deteriora durante el envejecimiento). En los huesos las células madre se endurecen y en el cerebro se ablandan.

Se ha demostrado que las propiedades mecánicas de un material artificial pueden afectar a la diferenciación celular de las células madre. Estos resultados han abierto una de las posibilidades más interesantes del campo, la utilización de nanomateriales sintéticos para controlar la diferenciación celular usando fuerzas, es decir, para regenerar tejidos dañados por enfermedades o heridas y traumas.

¿Cómo conseguirlo? El primer problema es la caracterización cuantitativa de las propiedades mecánicas de las células en la escala nanométrica (por ejemplo, haciendo preguntas de ingeniería mecánica: ¿Cuántos mega-pascales describen su tensión?). Saber lo blanda o lo dura que es una célula no es trivial, hay que reinventar las técnicas y las teorías usadas por la Física y la Ingeniería para caracterizar materiales, y esto no es tarea fácil porque las células son mucho más complejas que, por ejemplo, los plásticos.

Actualmente hay un número creciente de físicos y físicas que trabajamos en desarrollar técnicas experimentales y teóricas que nos permitan entender cómo las células vivas sienten y ejercen fuerzas y cómo ajustan sus propiedades mecánicas a su función adaptándose y remodelando su entorno.

Aprender la física de las células para poder controlar su función

En mi laboratorio, en colaboración con científicas y científicos de muchas partes del mundo y unos estudiantes extraordinarios (actualmente Andrea Bonilla, Jacob Seifert, Michael Lherbette, Andrea Ancona y Eneko Axpe), hemos desarrollado técnicas basadas en una herramienta de la Nanotecnología (la microscopía de fuerzas) que nos permiten medir las propiedades mecánicas con precisión nanométrica en células vivas. Usando estas y otras técnicas, y nuevas teorías, fabricamos andamios tisulares diseñados para dar señales mecánicas y controlar la función celular. De ésta manera usamos la nanotecnología para entender la física de las células, y después utilizamos este conocimiento para fabricar nanomateriales que cada vez sean más capaces de expresar la física que comprenden las células y dirigir así su respuesta y su función.

En el futuro esperamos ser capaces de producir materiales que sean capaces de “leer” la Biología de las enfermedades una vez implantados, desde dentro del cuerpo. Y que además sean capaces de comunicarse con el exterior y transmitir información sobre esos procesos, por ejemplo a un teléfono móvil, y finalmente que puedan “responder” a los problemas médicos automáticamente, insertados en el entramado biológico liberando fármacos de una manera controlada.

¿Ciencia ficción? Nosotras pensamos que será posible.

Sonia Contera
Codirectora y fundadora del Instituto Oxford Martin de Nanociencia para la Medicina y profesora del Departamento de Física de la Universidad de Oxford.