Introducción y Fundamentos de Biología Molecular

La Biología Molecular tuvo su origen en la Genética Molecular que es una disciplina científica en la que confluyen la Bioquímica y la Genética y cuyo objetivo es tratar de explicar los procesos hereditarios en términos físico-químicos.

Actualmente, la Biología Molecular ha trascendido el ámbito de la Genética Bioquímica para ser la disciplina científica que tiene como finalidad investigar los procesos biológicos fundamentales mediante métodos físico-químicos y por consiguiente utilizando como herramientas de trabajo la física y la química.

La herramienta fundamental de trabajo de la Química-Física como disciplina troncal de la Biología Molecular es la matemática.

Con motivo de preparar el terreno en nuestro estudio de la biología molecular me parece muy conveniente recordar este artículo de los autores: Miguel Ángel Fuertes y José Manuel Pérez Martín, es un artículo muy interesante sin duda alguna.

RELACIÓN ENTRE LA BIOLOGÍA MOLECULAR Y LA BIOLOGÍA TEÓRICA

Bioquímica Estructural

La “química orgánica de los productos naturales”. La química orgánica o química de los compuestos de carbono, fue en sus comienzos la química de las sustancias naturales con motivo de la caracterización de las sustancias que se presentan en la naturaleza.

“Bioquímica Estructural”, se interesa por el estudio de la constitución y estructura de las proteínas y de los ácidos nucleicos.

Bioquímica Inorgánica

La tendencia inicial a distinguir entre compuestos de carbono, como aquellos que se encuentran en la materia viva, y todos los demás compuestos se refleja aún en la división de la química en orgánica e inorgánica.

Ahora se sabe que esta distinción es artificial y no tiene base científica.

Así, el tratamiento clásico de la Bioquímica Estructural como “química orgánica de productos naturales” ha quedado obsoleto ya que existe un grupo de veinticinco elementos químicos (sodio, potasio, magnesio, calcio, etc.) que, libres en forma de iones, o combinados en macro complejos, regulan espacial y temporalmente muchas de las interacciones entre biomoléculas.

De esta forma, está adquiriendo un papel cada vez más importante la disciplina científica denominada “Química Inorgánica Biológica” o “Bioquímica Inorgánica”.

Bioquímica Metabólica y Enzimología

La fascinante dinámica de la célula con sus continuas modificaciones constituye la verdadera característica de la vida, y la “Bioquímica Metabólica” tiene como objetivo el estudio de las reacciones químicas que suceden continuamente en los seres vivos. Estas reacciones químicas se efectúan gracias a la regulación catalítica de los enzimas, cuyo estudio, por este motivo, ocupa un amplio lugar dentro de la Bioquímica en la disciplina denominada “Enzimología”.

Fisiología Molecular

El estudio de la regulación de los procesos químicos que tienen lugar en las estructuras de la célula y que constituyen la verdadera función de dichos elementos estructurales es el objetivo de la “Fisiología Molecular”.

Teniendo en cuenta que las estructuras celulares son estructuras supramoleculares y que las transformaciones que sufren lo son a consecuencia de reacciones químicas; en muchos casos, el análisis molecular puede facilitar una mayor información de los procesos fisiológicos que la propia metodología fisiológica clásica.

Biología Molecular y Química Física

Muchos de los procesos biológicos fundamentales, como es el caso de las características y modo de actuar de los factores hereditarios, han podido ser explicados gracias a la aplicación de técnicas de investigación físico-químicas dando lugar a la disciplina científica denominada Biología Molecular.

Aunque los procedimientos químicos han permitido adquirir unas ideas muy concretas sobre los fenómenos celulares, su campo de acción es limitado, ya que de la investigación con métodos puramente químicos sólo puede esperarse resultados que caigan dentro del campo de los conocimientos y experiencias de la química.

Los fenómenos biológicos más complejos, como son, por ejemplo, el desarrollo de los organismos, el cáncer, la consciencia etc., no pueden estudiarse únicamente utilizando métodos químicos convencionales; para ello se precisan técnicas de investigación físico-químicas.

El campo a cubrir por la Química Física en la Biología Molecular es tan amplio y profundo que parecería tarea imposible si no fuera porque, dentro de su heterogeneidad y complejidad, la vida está basada en unos materiales y principios relativamente simples (teoría cuántica, atómica y celular, catálisis, regulación, evolución y herencia).

Puesto que la Química Física describe la naturaleza en términos de átomos, moléculas y energía, el carácter interdisciplinario de la Biología Molecular se hace aún más patente teniendo en cuenta que su ciencia madre, la Química Física, utiliza como herramienta fundamental de trabajo las matemáticas.

Hay tres razones, por las que las matemáticas constituyen el lenguaje de la Química Física y de las Ciencias Físicas en general.

En primer lugar, por su definición precisa; cuando una cantidad es definida por una ecuación, uno puede debatir sobre el ámbito de la definición, pero raramente lo hará sobre su significado. En segundo lugar, las matemáticas ofrecen la posibilidad de deducir predicciones que pueden ser sometidas a evaluación. La tercera razón es más sutil, y vital en ciencia, a partir de una expresión matemática, los científicos pueden estimar el error probable de la cantidad que están calculando. Esta estimación puede ser crucial, porque pocos experimentos científicos conducen a un “sí” o a un “no” claro, la mayoría de las veces las respuestas toman la forma de quizá sí o quizá no.

BIOLOGÍA TEÓRICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR

¿existe una “Biología Teórica” como Ciencia Biológica fundamental a semejanza de la “Física Teórica” o si podemos esperar que sea incorporada en un futuro no muy lejano al creciente cuerpo de conocimientos de la “Biología Molecular”. En otras palabras, se trata de responder a la siguiente pregunta:

¿es suficiente explicar los procesos biológicos elementales en términos físico-químicos para permitirnos comprender toda la escala de los fenómenos biológicos?

El argumento podría ser apoyado con una referencia a la Historia de la Física.

Parece que la Física Teórica sólo concierne a aquello que es más fundamental o elemental en un periodo científico particular, el átomo de Böhr-Rutherford en un tiempo, la física cuántica y las partículas subatómicas un poco más tarde, y la teoría de cuerdas en el presente.

El empeño principal parece ser siempre ahondar en la comprensión de los últimos elementos, dejando la relación entre estos elementos y los sistemas físicos complejos tales como los que constituyen la física del estado sólido, la química supramolecular, etc

¿Podrá la Biología Teórica, de una manera similar, centrar su atención sobre los procesos físico-químicos elementales de la vida estudiados por la Biología Molecular, y dejar todo el resto para la “categoría menor” de los ecólogos, fisiólogos, bioquímicos metabólicos, especialistas de la Historia Natural y semejantes?

Hay ciertos biólogos moleculares que parecen inclinados a contestar afirmativamente a esta pregunta. Sin embargo, la analogía entre Biología Teórica y Física Teórica implica una comparación entre dos teorías que se encuentran en etapas muy diferentes de su desarrollo histórico.

Así, la teoría del mundo físico dispone ya de cómputos muy bien efectuados entre sistemas físicos altamente complejos y sus unidades elementales; ya se trate de ingenios artificiales, tales como los ordenadores y los autómatas; de la elasticidad térmica; de las reacciones de radicales químicos, etc.

Por el contrario, las teorías generales que relacionan los fenómenos biológicos más complejos con las unidades elementales no son, en la actualidad, satisfactorias.

De entre estas teorías, las más importantes son las que se refieren al origen de la vida, la evolución, el desarrollo de los organismos y el funcionamiento del cerebro, incluyendo la consciencia de los animales superiores.

Durante la primera mitad de este siglo, cuando las unidades más elementales conocidas por los biólogos eran los genes, estas teorías no llegaban a estar tan sólidamente establecidas como, por ejemplo, las teorías de la química durante el periodo en el que sus unidades fundamentales eran los átomos con sus valencias.

Así, cuando el átomo de los químicos se transformó en una función de onda cuantizada, los físicos teóricos pudieron estar seguros de que los químicos tenían una teoría sólida a la que incorporar nuevas ideas. Pero, cuando el “anticuado gen” Mendeliano se transformó en una secuencia duplicable de bases nitrogenadas en el ADN que dirige el proceso: ADN, ARN, Proteína (“dogma central” de la Biología Molecular), los biólogos teóricos dudaron de que dispusieran de unas teorías bien establecidas de la evolución y del desarrollo en espera de ser enriquecidas, más bien que de ser empujadas al caos, por las nuevas concepciones.

La Biología está todavía en el proceso de creación de sus teorías “desde las unidades elementales hacia lo complejo” aunque, al mismo tiempo, está logrando avances rápidos en el análisis de sus unidades.

PROBLEMAS RELACIONADOS CON LA MULTIDISCIPLINA EN LA INVESTIGACIÓN EN BIOLOGÍA MOLECULAR. EL CASO DE LA LÓGICA DEDUCTIVA

Tenemos que conocer hasta que límites podemos llegar cuando hacemos uso de la LÓGICA DEDUCTIVA como herramienta de modelado. Un aspecto importante que la lógica deductiva deja sin solución en Biología Molecular: el problema del plegamiento de las proteínas.

Las proteínas están formadas por secuencias lineales de aminoácidos. Cuando tales secuencias se hayan dispuestas en la sucesión correcta la proteína se pliega rápidamente adoptando una estructura tridimensional específica en grado sumo y característica de su función en el organismo. Hace unos años se demostró que la formulación matemática del problema del plegado de las proteínas era de difícil cómputo.

Un potente ordenador tardaría en dar la solución correcta para el plegado correcto de una proteína pequeña de unos 100 aminoácidos en torno a los 10^127 años. Pero entonces ¿cómo resuelve la naturaleza este problema? Un detenido examen del procedimiento seguido para tratar de dar solución al problema del plegado de la proteína muestra que en realidad la solución se obtiene de una representación matemática del problema y no del problema mismo.

Así la conclusión de que el plegamiento de una proteína es un problema difícil de computar no entra en la cuestión de cómo se las arreglan las proteínas para llevar a cabo su repliegue en segundos y no en miles de millones de años.

Hay que tener presente que los entes del mundo natural son magnitudes directamente observables (tiempo, posición,…) o deducibles de éstas (momento, energía,…) mientras que los entes del modelado matemático no son mas que representaciones simbólicas de estas magnitudes observables del mundo natural.

El mundo de la computación ocupa sin embargo una curiosa posición ya que tiene un pie apoyado en el mundo natural y el otro en el mundo de los objetos matemáticos abstractos. Ahora bien, si concebimos la computación como un conjunto de reglas que hay que cumplir, un algoritmo, entonces el proceso de computo solo será de naturaleza matemática y pertenecerá al mundo de los objetos simbólicos.

Pero hay más, la matemática, como sistema de inferencia deductiva, no permite dar respuesta a todas las preguntas concernientes a los números naturales como establece el teorema de incompletitud de Gödel.

En el razonamiento no deductivo, como ocurre con la inducción, se salta a una conclusión general partiendo de un número finito de observaciones concretas. Este tipo de razonamiento puede llevarnos más allá del dominio de indecibilidad lógica que hemos estado considerando.

Por último, es posible que los estudios sobre la mente nos enseñen como evitar los límites impuestos por la lógica.

La investigación multidisciplinar debería funcionar de la misma forma en que la mente aborda los problemas concretos, para cuya solución, recoge información que considera importante de muchos ámbitos distintos aparentemente desconectados para dar una respuesta adecuada y rápida que suele ser correcta la mayor parte de las veces.

¿cuál es la importancia, para la biología teórica que las unidades básicas del material genético (que pudiesen ser aplicables a otros planetas con vida) sean los nucleótidos en lugar de los aminoácidos, como de hecho fue la primera suposición de la mayor parte de los biólogos moleculares?

La teoría biológica general sugiere que cualquier sistema genético (genotipo) que pueda evolucionar por selección natural requiere un almacenamiento de memoria bastante estable, y en consecuencia será poco reactivo, aunque el fenotipo del organismo esté más dispuesto a reaccionar con el medio ambiente. ¿Es un mero acontecer táctico el que la vida sobre la tierra haya elegido el ADN para el primer papel y a las proteínas para el segundo, con eslabones intermedios de ARN entre ambos?

La gran mayoría de los trabajos científicos publicados en revistas de Biología Molecular son meras descripciones fenomenológicas de procesos moleculares y, en general, carecen de la capacidad de generar modelos físico-químicos con carácter predictivo.

La célebre frase de Claudio Galeno (129-200 D.C.) en la que reflexionaba sobre las bases teóricas de la terapéutica farmacológica: “Los empíricos dicen que todo se encuentra a través de la experiencia. Sin embargo, nosotros opinamos que es mitad experiencia y mitad teoría lo que posibilita un descubrimiento. Ni la experiencia sola ni la teoría sola son suficientes para descubrir todo”.

Para finalizar, esperamos que este articulo sirva como punto de encuentro para la reflexión entre matemáticos, informáticos, físicos, químicos, biólogos, médicos, farmacéuticos, y todos aquellos profesionales de la investigación que centran su actividad en el estudio de aspectos teóricos o moleculares de la Biología.