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La física en el origen de la biología molecular

Introducción

El origen de la genética se remonta a 1900 (el mismo año en que Planck revolucionó la física al introducir el concepto de cuanto de energía), cuando los resultados de Mendel fueron independientemente redescubiertos por De Vries, en Holanda, Correns, en Alemania, y Tschermak, en Austria. Inmediatamente, varias personas se dieron cuenta de que el comportamiento de los cromosomas durante la división celular sigue las leyes mendelianas. Sin embargo, hasta 1953, el gen fue más un concepto inmaterial que una realidad física y tangible. El gen era simplemente aquello que determinaba la herencia de un carácter dado de padres a hijos. Para muchos fines era realmente intrascendente si los genes eran objetos materiales o simplemente conceptos con los que se podía operar como con las variables de una ecuación algebráica (Watson, 1968; 2003).

En la Universidad de Columbia, Thomas H. Morgan y sus alumnos comprobaron, en las primeras décadas del siglo xx, que los genes son, en efecto, entes materiales que se encuentran alineados a lo largo de los cromosomas, y elaboraron mapas detallados de los cuatro cromosomas de la mosca de la fruta. Por sus descubrimientos, Morgan recibió el premio Nobel en fisiología o medicina en 1933. En 1926, Herman J. Muller (antiguo alumno de Morgan) descubrió que los rayos X incrementan considerablemente la tasa de mutación de la mosca de la fruta, reforzando la concepción material del gen. Muller recibió en 1946 el premio Nobel en fisiología o medicina. En 1944, Oswald T. Avery demostró en el Instituto (hoy Universidad) Rockefeller que el ácido desoxirribonucleico (adn) es la sustancia de la cual están hechos los genes. Sin embargo, el descubrimiento definitivo que materializó la concepción molecular de los genes, y de hecho marcó la transición entre la genética y la biología molecular, fue el descubrimiento en 1953 de la estructura atómica del adn por parte de Watson y Crick.

La biología molecular surgió y se consolidó entre 1940 y 1960, aproximadamente. Por muy diversos caminos, toda una pléyade de físicos emigraron hacia la biología y jugaron un papel de primera línea en el nacimiento de esta nueva ciencia. En palabras de Max Delbrück, los físicos contribuyeron con técnicas experimentales, modelos y herramientas matemáticas sin las cuales difícilmente podríamos concebir a la biología molecular como la boyante ciencia que es hoy en día.

Uno de los objetivos del presente trabajo es enfatizar las contribuciones de científicos educados formalmente en física y matemáticas al desarrollo de la biología molecular. Esto, sin embargo, no es con ánimo de reclamar créditos para los físicos, sino de mostrar con un ejemplo paradigmático cómo traspasar las fronteras de las ciencias tradicionales puede incentivar avances científicos de primer nivel. En este punto es necesario mencionar que, aunque importantes, las aportaciones de físicos y matemáticos sólo fueron una parte de la gran obra conjunta que dio origen a la biología molecular. El nacimiento y evolución de esta disciplina no hubieran sido posibles sin las aportaciones fundamentales de científicos formados en el área biológica. Más aún, el interés de los físicos por la materia viva y la codificación genética fue despertado por los descubrimientos de biólogos y genetistas notables. En este artículo se revisan someramente las aportaciones de los principales forjadores de la biología molecular (biólogos, químicos y físicos, principalmente) y, por las razones mencionadas anteriormente, se enfatiza cuando de físicos o matemáticos se trata.

En otro orden de ideas, dada la espectacular explosión de conocimientos que hoy en día atestiguamos, en lo que a sistemas moleculares se refiere, existe una amplia gama de oportunidades para físicos y matemáticos que deseen incursionar en las ciencias biológicas. El desarrollo de la biología molecular constituye un excelente ejemplo de cómo una formación sólida en física y matemáticas puede ser un buen punto de partida para una interesante carrera científica en un campo aparentemente inconexo, como es la biología.

En este artículo se revisan someramente las aportaciones de los principales forjadores de la biología molecular (biólogos, químicos y físicos, principalmente) y se enfatiza cuando de físicos o matemáticos se trata

 

La escuela estructural

De acuerdo con Gunther Stent, hasta la década de los sesenta del siglo pasado se podían reconocer dos escuelas claramente diferenciadas dentro de la biología molecular: la escuela estructural y la escuela informática. Ambas tuvieron una gran influencia en el desarrollo de la biología molecular, y ambas fueron inspiradas por corrientes filosóficas que defendían dos formas distintas de aproximarse a la biología partiendo de la física. Los investigadores de la escuela estructural pretendían entender la función de las moléculas biológicas a partir de su estructura tridimensional. Por el contrario, los científicos de la escuela informática estaban más interesados en la manera en que la información está arreglada linealmente a lo largo de los cromosomas y en cómo esta información se usa para formar y controlar los más diversos sistemas biológicos (Stent, 1968).

Pero al mismo tiempo, basado en la evidencia de la que entonces disponía, Schrödinger argumenta que la vida puede entenderse en términos de almacenamiento y transferencia de información, con los cromosomas jugando el papel de meros paquetes de información

W. H. Bragg y W. L. Bragg (padre e hijo, ambos físicos) inventaron la cristalografía de rayos X en 1912 y fundaron una escuela de cristalografía que hizo de la Universidad de Cambridge el principal polo de atracción de estructuralistas moleculares en el mundo. Por su descubrimiento, los Bragg recibieron el premio Nobel de física en 1915. En ese entonces, ya existía en Cambridge una importante tradición en biofísica, iniciada en parte por A. V. Hill y sus estudios sobre la energética de la contracción muscular. Después de la Segunda Guerra Mundial, investigadores avecindados en Cambridge produjeron resultados tan importantes como el modelo de Hodgkin y Huxley, el cual explica a partir de leyes físicas fundamentales la actividad eléctrica de una célula animal: el axón gigante del calamar. Este descubrimiento significó la consolidación de la ciencia conocida como electrofisiología.

Con el tiempo, los físicos moleculares de Cambridge fueron estudiando moléculas más y más complejas, hasta que eventualmente se sintieron con la confianza de enfocar sus rayos X hacia moléculas de importancia biológica. Estaban convencidos de que la fisiología de la célula sólo puede entenderse en términos de la configuración tridimensional de sus componentes. Entre los primeros discípulos de Bragg que adoptaron esta línea de trabajo destacan W. T. Astbury y J. D. Bernal (físico) quienes, hacia el final de la década de los treintas, abordaron el análisis estructural de proteínas y ácidos nucleicos, y aun de agregados nucleo-proteínicos, como los virus. Algunos resultados importantes de la escuela estructural fueron el reconocimiento, en 1939, de que el virus del mosaico del tabaco consiste de un arreglo de cientos de subunidades proteínicas idénticas, así como el descubrimiento en 1945, por parte de Astbury, de que las bases de purina y pirimidina forman un agregado denso perpendicular al eje longitudinal de la molécula de adn.

El éxito más rotundo de la escuela estructural no lo obtuvo un científico de Cambridge, sino Linus Pauling, del Instituto Tecnológico de California (Caltech). Pauling se doctoró en química en Caltech en 1925 y en 1927 se integró a la planta docente de la misma institución (Asimov, 1982; Pauling, 1984). En 1951, Pauling propuso la hélice alfa como un ejemplo de estructura secundaria de proteínas. El éxito de Pauling se debió en parte a la metodología que empleó, en la que la construcción de modelos jugó un papel mucho más importante que en el procedimiento más lógico y analítico de los cristalógrafos profesionales. Pauling concentró su análisis cristalográfico de rayos X en la determinación de la estructura de proteínas simples, y construyó la hélice alfa a partir de consideraciones químicas elementales concernientes a la manera en que dichas proteínas se unen entre sí. Por este descubrimiento, Pauling recibió el premio Nobel de química en 1954.

Mientras tanto, en el laboratorio de W. L. Bragg, en Cambridge, Max Perutz y John C. Kendrew habían estado trabajando en la estructura de las proteínas hemoglobina y mioglobina. Su progreso había sido más bien lento, dado lo limitado de las herramientas con que contaban entonces. A pesar del enorme éxito de Pauling, los biólogos moleculares de Cambridge continuaron con su proyecto. La utilización de la técnica de sustitución de algunos átomos de las proteínas por otros más pesados, así como la disponibilidad de computadoras más potentes para el análisis de las fotografías de rayos X, permitieron a Perutz y Kendrew encontrar, a principios de los sesenta, las estructuras terciarias de sus respectivas proteínas. Por estos resultados, Perutz y Kendrew fueron galardonados con el premio Nobel de química en 1962.

En retrospectiva, se puede decir que la gran influencia de la escuela estructural en la biología general se debe a su preocupación en la estructura más que en la información. Esta manera de hacer las cosas era reflejo de un punto de vista según el cual todos los fenómenos biológicos, sin importar qué tan complejos puedan ser, pueden explicarse mediante las leyes convencionales de la física. Puesto que el estudio de la estructura molecular era un área en la que la física podía hacer contribuciones importantes a la biología, enfocarse en la estructura de moléculas de interés biológico fue una decisión completamente lógica en la década de los treintas.

La escuela informática

Justo cuando el viejo vitalismo estaba desapareciendo de los círculos intelectuales ilustrados, Niels Bohr, uno de los padres de la mecánica cuántica, introdujo la idea de que los conceptos físicos tradicionales podrían no ser suficientes para entender completamente algunos fenómenos biológicos. En los orígenes de la mecánica cuántica, Bohr desarrolló la noción de que la imposibilidad de describir el cuanto de acción usando física clásica es un paradigma heurístico que ilustra cómo el hallazgo de una aparente paradoja, eventualmente conduce a un más elevado nivel de entendimiento. En particular, Bohr pensó que sería conveniente tener esta posibilidad en mente al estudiar los procesos de la vida. Estas ideas fueron presentadas en una conferencia titulada Light and life (Luz y vida), en el Congreso Mundial de Luminoterapia en 1932:

Reconocer la importancia esencial de las características atómicas fundamentales en las funciones de los seres vivos no es en absoluto suficiente para un completo entendimiento de los fenómenos biológicos. Por lo tanto, la pregunta es, hasta qué punto necesitamos todavía encontrar algunas pistas fundamentales, antes de que podamos entender la vida en términos de experiencias y conceptos físicos.

De acuerdo con Bohr, la dificultad inherente al estudio de la vida desde el punto de vista de la física es que:

Las condiciones para realizar experimentos biológicos y físicos no son directamente comparables, dado que la necesidad de mantener vivo al individuo impone una restricción en los primeros, la cual no tiene contraparte en los segundos. Así, es necesario matar al animal para estudiar sus órganos al grado que podamos describir el papel jugado por átomos individuales en las funciones vitales. Parece, entonces, que existe para el animal un principio de incertidumbre formalmente análogo al del electrón. Desde este punto de vista, la existencia de la vida debe considerarse como un hecho elemental que no puede ser explicado, sino que debe considerarse como un punto de partida de la biología.

El principal promotor de las ideas de Bohr fue Max Delbrück. Delbrück nació en Berlín, en septiembre de 1906, y creció en el mismo barrio en que vivía Max Planck. En 1929 obtuvo su doctorado en física por la Universidad de Gotinga, en ese entonces uno de los más importantes polos de desarrollo de la naciente mecánica cuántica. Después de eso, realizó tres estancias posdoctorales en Inglaterra, Suiza (con Wolfgang Pauli) y Dinamarca (con Niels Bohr). Delbrück comenzó a interesarse en la biología gracias a las ideas de Bohr (Delbrück fue uno de los asistentes a la conferencia Light and Life; Delbrück, 1978).

En 1932, Delbrück regresó a Berlín para trabajar como asistente de Lise Meither, con la esperanza de iniciar un proyecto de investigación en biología. Paradojicamente, estas buenas intenciones fueron impulsadas por la llegada al poder de los nazis, lo que hizo que los seminarios oficiales parecieran menos interesantes. Así, un pequeño grupo de físicos y biólogos empezaron a reunirse en la casa de Delbrück desde 1934. A este grupo pertenecía el genetista N. W. Timoféeff-Ressovsky. A partir de estas reuniones surgió un pequeño artículo, publicado en 1935 por Timoféeff-Ressovsky, Zimmer y Delbrück, en el que se proponía una explicación a las mutaciones inducidas por rayos X con base en la mecánica cuántica. Este artículo fue importante porque discute, por primera vez, una teoría molecular de la genética con base en principios físicos, y porque fue la principal fuente de inspiración para que Schrödinger escribiera su libro What is life? (¿Qué es la vida?) en 1944.

Gracias a una beca otorgada por la fundación Rockefeller, en 1937 Delbrück fue a trabajar con Morgan, quien recientemente se había mudado a Caltech. Sin embargo, encontró muy difícil adaptarse a la jerga de los estudiosos de la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster), por lo que empezó a colaborar con E. L. Ellis haciendo investigación sobre virus que infectan bacterias (bacteriófagos o, simplemente fagos).

Al estallar la Segunda Guerra Mundial, en 1939, Delbrück decidió permanecer en los Estados Unidos, en el Departamento de Física de la Universidad de Vanderbilt, en Nashville, Tennessee. El hecho de que tanto el italiano Salvador Luria (en Bloomington, Indiana) como Delbück (en Vanderbilt) fueran técnicamente ciudadanos de países enemigos, les permitió concentrarse de tiempo completo en la ciencia, en vez de incorporarse a la investigación militar. Luria se recibió de médico en la Universidad de Turín, en 1935, y en 1940 se mudó a los Estados Unidos (Asimov, 1982). Durante la guerra, Delbrück y Luria iniciaron una exitosa colaboración que, en muchos sentidos, sentó las bases para el desarrollo de la escuela informática de la biología molecular. El premio Nobel de fisiología o medicina de 1969 fue compartido por Delbrück, Luria y Alfred D. Hershey.

Erwin Schrödinger tuvo una vida tumultuosa. Obtuvo su doctorado en física por la Universidad de Viena en 1910. Participó activamente en la Primera Guerra Mundial como oficial de artillería. Por diversas razones estuvo constantemente en movimiento. Después de la guerra ocupó plazas en varias universidades austriacas y alemanas. Estando en la Universidad de Stuttgart, Schrödinger desarrolló la ecuación de la mecánica ondulatoria que lleva su nombre y que, a la postre, le mereció el premio Nobel de física en 1933. En 1928, Schrödinger sucedió a Max Planck como profesor de física teórica en la Universidad de Berlín, pero el mismo año en que ganó el Nobel, Hitler llegó al poder. Schrödinger no pudo soportar la situación política y regresó a Austria. Puesto que su abandono de Berlín fue considerado como un agravio, Schrödinger tuvo que huir cuando Austria cayó en manos de los nazis. En 1938 llegó a Inglaterra y en 1940 se integró al Instituto de Estudios Avanzados de Dublín, Irlanda, donde permaneció hasta 1956 (Moore, 1989).

En 1940, P. P. Ewald, entonces profesor de la Universidad de Belfast, le proporcionó a Schrödinger una copia del artículo de Timoféeff-Ressovsky, Zimmer y Delbrück, titulado Sobre la naturaleza de las mutaciones y la estructura del gen. Aparentemente Schrödinger había estado interesado en el tema por algún tiempo, pero este artículo lo fascinó tanto que lo usó como base de una serie de conferencias impartidas en el Trinity College de Dublín en febrero de 1943. Estas conferencias fueron publicadas al año siguiente por la casa editorial de la Universidad de Cambridge con el título: What is life? The physical aspect of the living cell.

En What is life?, Schrödinger se planteó la pregunta de cómo los fenómenos espacio-temporales que tienen lugar dentro de las fronteras espaciales de un ser vivo pueden ser explicados por la física y la química. Usando al artículo de Timoféeff-Ressovsky, Zimmer y Delbrück, Schrödinger defiende la posición de Bohr de que probablemente hagan falta nuevas leyes de la física para explicar plenamente los fenómenos vitales. Pero al mismo tiempo, basado en la evidencia de la que entonces disponía, Schrödinger argumenta que la vida puede entenderse en términos de almacenamiento y transferencia de información, con los cromosomas jugando el papel de meros paquetes de información. Dada la cantidad de información almacenada en cada célula, debía existir un código embebido en la maquinaria molecular del cromosoma, que no podía ser otra cosa que una molécula aperiódica.

Pero al mismo tiempo, basado en la evidencia de la que entonces disponía, Schrödinger argumenta que la vida puede entenderse en términos de almacenamiento y transferencia de información, con los cromosomas jugando el papel de meros paquetes de información

What is life? no contenía mucha información original, y la poca que tenía o bien era incorrecta o no estaba actualizada. A pesar de dichos defectos, este libro tuvo la virtud de estar escrito en un lenguaje cautivador y no pocas veces poético; además de aparecer en el momento preciso. Toda una pléyade de científicos jóvenes y talentosos (muchos de ellos físicos desencantados por la bomba atómica) decidieron dedicarse de lleno a la naciente biología molecular después de leerlo.

Biología molecular a la francesa

Durante las tres primeras décadas del siglo xx, Francia permaneció al margen de los desarrollos en genética que rápidamente estaban sucediendo en el resto del mundo. Por diversas razones, los principales núcleos académicos franceses rechazaron las tesis mendelianas y continuaron trabajando en líneas de investigación más tradicionales, particularmente en fisiología, la cual, junto con las matemáticas, gozaba de una amplia reputación en Francia.

Fue hasta la década de los treintas que algunos jóvenes biólogos franceses empezaron a interesarse en la genética y a hacer investigación en este campo. Es importante destacar que todos estaban fuera del sistema universitario francés, generalmente en centros de investigación independientes, y que sus investigaciones estuvieron fuertemente influenciadas por las importantes tradiciones francesas en fisiología y matemáticas (Burian y Gayton, 1999).

Georges Teissier y Philippe L’Hértier (originalmente matemáticos) trabajaban en L’Ecole Normale Supérieure; Boris Ephrussi trabajaba en L’Institut de Biologie Physico-Chimique; mientras que André Lwoff, Eugéne Wollman y, posteriormente, Jaques Monod, estaban en el Instituto Pasteur. Todos ellos se conocían personalmente y pasaron muchos veranos juntos en la estación de biología marina de Roscoff. Además, fueron coautores de artículos de investigación en todas las combinaciones posibles y, todos ellos, estuvieron involucrados de alguna u otra forma con las redes internacionales de investigación genética. Sus programas de investigación eran marginales o no convencionales, pero todos condujeron a avances importantes en biología. Las diferentes líneas de investigación que cultivaron son genética de poblaciones teórica y experimental (L’Hértier y Teissier), control genético de la pigmentación de los ojos de la mosca de la fruta (Ephrussi y Beadle), evolución fisiológica y continuidad genética (André Lwoff), lisogenia (André Lwoff), adaptación enzimática (Jaques Monod y Francois Jacob), genética bacteriana (Jacob y Wollman), digestión de lactosa en E. coli (Monod) y regulación genética (Jacob y Monod). La última línea de investigación condujo a dos resultados en extremo importantes: los descubrimientos del arn mensajero y del concepto de operón.

El adn se había descubierto 50 años antes, pero fue hasta 1944 que, gracias a una serie de ingeniosos experimentos desarrollados por Oswald T. Avery y su grupo en el Instituto Rockefeller, se demostró que esta molécula es la portadora de la información genética

 

La etapa romántica de la biología molecular

En 1943, el año en que Schrödinger impartió las conferencias que darían lugar a What is Life?, se pensaba que, de las sustancias encontradas en el núcleo, las proteínas eran las únicas lo suficientemente complejas como para contener toda la información genética. El adn se había descubierto 50 años antes, pero fue hasta 1944 que, gracias a una serie de ingeniosos experimentos desarrollados por Oswald T. Avery y su grupo en el Instituto (ahora Universidad) Rockefeller, se demostró que esta molécula es la portadora de la información genética. El descubrimiento de Avery resultó ser muy adelantado para su época. De hecho, nunca recibió el Nobel, algo a todas luces injusto. Tuvieron que pasar ocho años para que sus resultados fueran confirmados por Hershey y Chase. Y tuvieron que venir los reclutas de Schrödinger para descifrar los mecanismos y el código de la herencia genética (Watson, 1968; 2003).

James Watson estaba estudiando el tercer año de la carrera de Zoología en la Universidad de Chicago cuando cayó en sus manos el libro de Schrödinger, What is life? La lectura de este libro lo hizo cambiar de opinión y decidió emigrar hacia la biología molecular. Al terminar su carrera, Watson buscó a Salvador Luria y realizó su doctorado bajo su dirección. Posteriormente, Watson viajó a Europa para realizar su posdoctorado. Después de una breve estancia en Dinamarca, llegó a Cambridge para trabajar bajo la dirección de Max Perutz en los laboratorios Cavendish. Ahí encontró a un no tan joven estudiante de doctorado con quien inmediatamente hizo amistad: Francis Crick.

Crick estudió física en Cambridge, pero durante la Segunda Guerra Mundial abandonó sus estudios para trabajar en el ejército británico, desarrollando minas magnéticas. Al terminar la guerra, Crick había planeado continuar en el ejército. Pero entonces leyó What is Life? y no pudo evitar que su carrera virara hacia la biología. Cuando Watson llegó a Cambridge, Crick estaba desarrollando su doctorado en física, estudiando la estructura tridimensional de proteínas mediante difracción de rayos X.

A pesar de su corta edad, Watson fue uno de los primeros en darse cuenta de la importancia del adn. Convenció a Crick de investigar la estructura tridimensional de esta molécula, usando la metodología de Pauling, es decir, construyendo un modelo a partir de la estructura de los componentes más simples y de las leyes de la física y la química. Pauling estaba trabajando en el mismo proyecto, en Caltech. Al final, Watson y Crick ganaron la carrera gracias a que contaron con datos experimentales muy finos, provenientes del laboratorio de biofísica de King’s College, en Londres.

Maurice Wilkins obtuvo un doctorado en física por la Universidad de Birmingham, graduándose en 1940. Durante la Segunda Guerra Mundial se incorporó al proyecto Manhattan. Él, como muchos otros, sintió una profunda desilusión cuando la bomba atómica fue detonada en Hiroshima y Nagasaki. Por un tiempo consideró la posibilidad de abandonar la ciencia definitivamente para dedicarse a la pintura en París. Pero la lectura de What is Life? lo convenció de regresar y dedicarse a la biología. Cuando Watson llegó a Cambridge, Wilkins se encontraba trabajando, junto con Rosalind Franklin, en el Laboratorio de Biofísica del King’s College, en Londres. Su proyecto, al igual que el de Crick, consistía en analizar la estructura tridimensional de moléculas biológicas mediante difracción de rayos X.

De hecho, ambos formaban parte de un proyecto común, más amplio, en el que participaban varias instituciones, entre ellas Cambridge y King’s College.

Wilkins colaboró activamente con Watson y Crick, pero fue una fotografía de rayos X obtenida por Rosalind Franklin la que aportó la evidencia definitiva para que, en la primavera de 1953, Watson y Crick finalmente encontraran la estructura tridimensional de la molécula de adn. De este descubrimiento se desprendió inmediatamente su mecanismo de replicación. Un hecho anecdótico fue que a la comunidad de biólogos no le sentó nada bien que Watson y Crick descubrieran la estructura del adn sin hacer experimentos. Watson narra que los biofísicos de Cambridge nunca los invitaron a dar una plática formal en su departamento y que de manera irónica empezaron a llamar a la doble hélice el “modelo WC”.

El descubrimiento de la doble hélice vino a dar el golpe de gracia al vitalismo. Todos los científicos serios, aun aquellos con inclinaciones religiosas, reconocieron que para entender la vida no eran necesarias nuevas leyes de la naturaleza. La vida se convirtió, a partir de entonces, en una cuestión de física y química.

En abril de 1953, Watson presentó por primera vez su modelo en el simposio sobre virus de los Laboratorios Cold Spring Harbor. En la audiencia se encontraba Seymour Benzer, quien inmediatamente se dio cuenta de que podía hacer con el adn lo mismo que Morgan había hecho cuarenta años antes con el cromosoma de la mosca de la fruta, es decir, localizar mutaciones a lo largo de un gen, tal y como los muchachos de Morgan habían localizado genes a lo largo de un cromosoma. En 1955, Benzer produjo el primer mapa de un gen de bacteriófago, el gen rII. En este sentido, Benzer fue un pionero de la secuenciación genética, hoy tan en boga (Benzer, 1991; Weiner, 1999).

Seymour Benzer obtuvo su doctorado por la Universidad de Purdue, en Indiana. Durante la Segunda Guerra Mundial trabajó en la misma universidad en un proyecto sobre física del estado sólido financiado por el ejército estadounidense. Al terminar la guerra, este proyecto se mudó a los Laboratorios Bell y finalmente concluyó con la invención del transistor. A pesar de que Benzer contribuyó de manera muy importante a este proyecto, no continuó en él por culpa de What is life?, libro que lo hizo voltear los ojos hacia la biología molecular. Fue a Caltech para trabajar con Delbrück y después militó en prácticamente todos los laboratorios de biología molecular del mundo.

Francois Jacob fue otro de los reclutas de Schrödinger. Él estudió medicina y tenía la meta de convertirse en cirujano. Participó activamente en la Segunda Guerra Mundial con las fuerzas de De Gaulle, en el norte de áfrica, así como en el desembarco del Día D. Poco después, casi muere a causa de una bomba. Dado que su brazo resultó gravemente herido, tuvo que abandonar el sueño de convertirse en cirujano. Como a muchos otros, la lectura de What is life? le hizo virar hacia la biología molecular. Después de muchos intentos, por fin logró ser aceptado por Lwoff para trabajar en el Instituto Pasteur, bajo la dirección de Jaques Monod.

Jacob y Monod abordaron el problema del encendido y apagado de genes en la bacteria Escherichia coli. Ellos encontraron los mecanismos por medio de los cuales se activa el metabolismo de lactosa en E. coli. El funcionamiento de este sistema no radica en el encendido y apagado de un solo gen. Otros genes participan en la digestión de lactosa, y todos ellos son controlados por el mismo sistema represor (operón). El mismo sistema básico se aplica a todos los seres vivos.


Conclusiones

El desarrollo de la biología molecular es un excelente ejemplo de cómo la investigación interdisciplinaria y la migración de científicos entre diferentes ramas del conocimiento pueden ser exitosas al grado de incubar nuevas disciplinas científicas. En mi opinión, hoy existe una amplia gama de posibilidades para físicos que deseen incursionar en la biología. El crecimiento acelerado del conocimiento biológico, aunado al creciente aprecio por la complejidad espaciotemporal de los eventos que ocurren al interior de células, tejidos, órganos y poblaciones, amenazan con sobrepasar la capacidad de los científicos para integrar, entender y razonar la biología. La construcción, análisis y simulación de modelos formales es una forma útil de lidiar con dichos problemas. Por su formación, son los físicos quienes mejor están capacitados para esta tarea.

El metabolismo, la transducción de señales, la regulación genética, los ritmos circadianos, así como varios aspectos de la neurobiología son sólo un subconjunto del tipo de fenómenos que han sido estudiados mediante modelos matemáticos. El trabajo interdisciplinario entre biología, física y matemáticas ha sido particularmente exitoso en el área de la neurofisiología. Las últimas cinco décadas han atestiguado el explosivo desarrollo de la biología molecular. Curiosamente, a pesar de lo bien que se conoce la biología de muchos sistemas moleculares y de la gran cantidad de datos experimentales disponibles acerca de la dinámica de los mismos, hasta hace poco existían relativamente escasos intentos por integrar este conocimiento en modelos matemáticos coherentes. Esta tendencia ha cambiado en los últimos años. El estudio mediante modelos matemáticos de sistemas moleculares y en particular de circuitos genéticos es un área de investigación bastante activa que probablemente pueda contribuir en un futuro cercano al mejor entendimiento de estos sistemas biológicos.

Quisiera terminar con algunos comentarios acerca de la que, en mi opinión, debe ser la actitud para abordar problemas biológicos desde la perspectiva de la física. En una entrevista –parte del proyecto de historia oral de Caltech–, el entrevistador le preguntó a Delbrück cuál consideraba que había sido la contribución de los físicos a la biología, tanto en cuestiones de conceptos y metodología como en otros aspectos, así como si pensaba que una formación en física da ciertas ventajas para construir teorías y seguir sus implicaciones. A continuación, cito textualmente las respuestas de Delbrück (1978):

Bien, en metodología y tecnología, ellos (los físicos) han contribuido enormemente. Todos los procesos analíticos usados hoy en día están fuertemente basados en la física: centrifugación, electroforesis, difracción de rayos X, trazadores radioactivos, métodos ópticos cada vez más refinados, espectroscopía Raman, etcétera. Es de hecho una avalancha de técnicas físicas que continúa, y va a continuar, en movimiento. En este sentido, ha habido una inmensa contribución de la física a las ciencias biológicas. Conceptualmente no creo que haya sido tanto. Siento que ha habido un problema con aquellos físicos que, con una técnica en particular que han aprendido de la física, andan buscando qué hacer en biología. Ellos no han sido en absoluto exitosos, pues este negocio de un hombre con una técnica en busca de un problema es bastante infértil. Es mejor tener una amplia educación en física básica, buscar un problema biológico interesante y, sólo entonces, aprender las técnicas particulares de la física que hagan falta.
...Muchos físicos tienen, hoy en día, una formación bastante estrecha; si son físicos de altas energías, físicos de bajas temperaturas o físicos del estado sólido, tienen en realidad un entrenamiento en física bastante específico y limitado. Para aplicar la física en la biología exitosamente, hay que saber más física de la que se necesita para hacer física. No menos, sino más, puesto que son muchos los aspectos de la física involucrados en los fenómenos biológicos más simples. Por ejemplo, en la quimotaxis bacteriana, uno se involucra con motilidad, difusión, viscosidad, hidrodinámica, fenómenos eléctricos y electroquímicos, etcétera. Si se tiene una formación general en física básica, al menos se puede consultar la literatura relevante con algún entendimiento, pero si no se sabe nada de física o matemáticas, no hay esperanza.

Bibliografía

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J. D. Watson (1968), The double helix, Nueva York, The New American Library.
J. D. Watson (2003), adn, the secret of life, Nueva York, Alfred A. Knopf.
J. Weiner (1999), Time, love, memory: a great biologist and his quest for the origins of behavior, Nueva York, Alfred A. Knopf.

Moisés Santillán Zerón es doctor en ciencias con especialidad en física. Actualmente es miembro del Sistema Nacional de Investigadores y se desempeña como profesor titular de la Escuela Superior de Física y Matemáticas del Instituto Politécnico Nacional. También es profesor externo del Centre for Nonlinear Dynamics in Physiology and Medicine, de la McGill University. Su línea de investigación es la modelación matemática de circuitos de regulación genéticos, la cual pertenece al área de biología de sistemas teórica.
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